Процеси взаємодії лазерного випромінювання з дисперсними частками у гетерогенних матеріалах

На основі результатів фізичного моделювання одержали наближений аналітичний вираз залежності глибини лійки (h) від потужності лазерного випромінювання з урахуванням кінетики її утворення.

h = A² ·Q² ·K_u / ·· ( 8А·Q·K_u · + ·r⁴ ·и··g), (9)

де r - радіус лазерної плями нагрівання, - в'язкість пари, K_u - питомий обсяг, - питома теплота пароутворення, А - коефіцієнт відображауючий частку спожитої енергії, що приходиться на випар, - густина рідини, g - прискорення вільного падіння, Q - потужність випромінювання лазера.

Встановили також, що глибина лазерної лійки залежить від способу фокусування. Найбільш стійка лійка утворюється при розташуванні фокуса на поверхні рідини. Глибина лійки збільшується, якщо спочатку фокус помістити на поверхні рідини, а потім поступово занурювати його всередину рідини.

З метою забезпечення ефективної обробки розплаву газолазерними потоками і подачі всередину розплаву сипучих інгредієнтів розроблено заглиблювані лазерні фурми, у яких для формування газового потоку використовували сопла у формі циліндра або сопла Лаваля.

На першому етапі вивчили взаємодію модельної рідини з газовими потоками, що подаються через заглиблені фурми без лазерного випромінювання. Дослідження зміни глибини каверни від витрати повітря для фурми з циліндричним соплом і соплом Лаваля показали, що найбільш стійка каверна утворюється при використанні фурми із соплом Лаваля при витраті повітря 0,15 л/с. Каверна має рівну витягнуту форму без виплесків. Це дозволяє вважати сопло Лаваля більш перспективним при обробці рідин заглибленими реагентними струменями.

Однак в умовах заглибленя лазерного променя має значення положення фокуса стосовно поверхні рідини. При газолазерній обробці розплаву через сопло Лаваля контакт променя з рідиною в процесі лазерного опромінення можливий тільки в зафокальних площинах. Фурма з циліндричним соплом формує стійку каверну, однак з наявністю бічних вихорів. Застосування циліндричного сопла дозволяє розміщати фокус на поверхні рідини або заглиблювати його в рідину. Технологічна доцільність використання фурми з циліндричним соплом чи соплом Лаваля залежить від умов обробки розплаву і сипучих інгредієнтів, що подаються.

При спільній обробці розплаву газовим і лазерним потоками через заглиблену фурму лазерне випромінювання збільшує глибину каверни, сформованої газовим струменем за рахунок утворення додаткової каверни, отриманої тиском струменя віддачі пари під впливом лазерного випромінювання. Утворюється складна каверна, яка формується газовим струменем і струменем віддачі пари від впливу лазера. При цьому розміри каверни, отриманої тиском струменя газу при впливі газолазерного потоку в порівнянні з розмірами каверни від впливу тільки газового струменя не змінилися. Тоді як розміри каверни, утвореної струменем віддачі води, що випаровується, у заглубленому газолазерному потоці в порівнянні з каверною, отриманою струменем віддачі пар під впливом лазерного випромінювання на відкриту поверхню модельної рідини, зросли в 1,5 - 2 рази.

Ефект неадекватного збільшення розмірів каверни струменя віддачі парів під впливом лазерного випромінювання в умовах заглиблення газолазерного потоку свідчить про неаддитивне збільшення тиску в зоні опромінення. Отже, поряд із широко відомими способами інтенсифікації масопереносних і фізико-хімічних процесів продувкою газами й іншими реагентними середовищами рідин і металевих розплавів, вплив лазерного випромінювання вносить додатковий ефект їхнього посилення.

В умовах газолазерної обробки розплаву через заглиблену фурму на кінетику взаємодії лазерного випромінювання з розплавом впливає приповерхнева плазма, що утворюється. При густинах потужності лазерного впливу q_л > 10⁶ Вт/ см² у замкнутому просторі в околицях зануреної в розплав фурми утворюється плазмова хмара. Вплив плазмових процесів на розплав приводить до підвищення тиску в каверні і збільшенню її розмірів. Це свідчить про повний внесок плазмових процесів в ефективність газолазерної обробки розплаву через заглиблену фурму. При газолазерній обробці рідких середовищ через заглиблену фурму за рахунок зменшення втрат відбитої енергії лазера й ефективного використання утворюваної приповерхневої плазми досягається максимальна ефективність лазерного впливу.

Обробка розплаву газолазерними потоками через заглиблену фурму приводить до істотного стримування росту дендритів основної фази (розміри дендритів зменшуються в 3 - 5 разів) і незначного збільшення розмірів складових евтектики. У структурі необробленого сплаву кремній знаходиться у виді голок і великих включень, а газолазерний вплив сприяє дробленню і рівномірному розподілу кремнію в структурі зливка. Спостерігається зміна структури і фазового складу, що приводить до підвищення фізико-механічних характеристик сплаву.

Виявлено переваги газолазерної обробки металевого розплаву заглибленими фурмами в порівнянні з лазерною обробкою поверхні розплаву. Відмінними рисами результатів обробки розплаву АК12М2МгН заглибленим газолазерним потоком у порівнянні з лазерною обробкою поверхні розплаву є:

час обробки розплаву заглибленими газолазерними потоками, необхідний для одержання корисних перетворень у кінцевій структурі сплаву, у 2 рази менший, ніж при опроміненні поверхні розплаву.

загальний вміст цинку в сплаві після обробки розплаву заглибленим газолазерним потоком вищий, ніж при лазерному опроміненні поверхні розплаву, що обумовлено зниженням втрат на випаровування при високій летючості парів цинку.

Досліджено особливості взаємодії лазерного випромінювання з дисперсними матеріалами (металевими і неметалічними) частками. У полі лазерного випромінювання нагрів часток не однорідний, що відбивається на характері взаємодії їх з розплавом металу. Характер цього нагріву залежить від розміру частки, її теплофізичних і оптичних властивостей, а також від інтенсивності випромінювання, що впливає. Порівнюючи час нагрівання частки з часом релаксації, визначили можливість руйнування частки у полі лазерного випромінювання.

На основі одномірної математичної моделі нагрівання тіла за час польоту при подачі сипучих інгредієнтів у розплав визначено зміни температури поверхневого шару часточки у полі дії лазерного випромінювання, його стан, зміни теплофізичних характеристик і властивостей. При польоті частки Al₂O₃ у полі дії лазерного випромінювання навіть при невисокій густини потужності (q_л = 10⁴ Вт/см² ) температура її поверхні досягає значень 1400⁰ С, що в умовах введення її в розплави міді або алюмінію виявляється вищою за температуру розплаву.

Одержання литих композитів з рівномірно розподіленими в об'ємі сплаву металевими чи неметалічними частками є складною науково-практичною проблемою. З метою створення технологій одержання литих композиційних матеріалів на основі алюмінієвих і мідних сплавів проведено дослідження з лазерної обробки поверхні розплаву і введенням під лазерний промінь сипучих інгредієнтів. Визначено принципову можливість одержання з використанням лазерного випромінювання литих композиційних матеріалів на основі алюмінію з включеннями Аl₂О₃. Встановлено, що лазерне опромінення впливає на фізичні характеристики поверхневого шару часток, що вводяться, стан розплаву і міжфазних границь розплав - включення. Визначили, що в залежності від тривалості лазерного опромінення розплаву з введеними частками Аl₂О₃ відбувається зміна стану границь зерен і розподілу часток у розплаві, що обумовлено інтенсифікацією дифузійних і масопереносних процесів під впливом лазерного випромінювання.

При введенні часток Al₂O₃, Fe₃O₄, TiS, FeS на поверхню розплаву АК12М2МгН під лазерний промінь спостерігається занурення їх у розплав. Опромінення часток приводить до їхнього оплавлення і глобуляризації, зміни структурно-фазового стану їхнього поверхневого шару.

Після затвердіння сплаву введені частки виявляються всередині дендритів основної фази, що є наслідком захоплення часток зростаючими дендритами при затвердінні. Це сприяє рівномірному розподілу часток у зливку. Іншим перспективним методом одержання литого композиційного сплаву на базі АК12М2МгН із рівномірно розподіленими в об'ємі сплаву зміцнюючими частками є введення сипучих інгредієнтів у газолазерном потоці через заглиблену фурму. Цей метод дозволяє вводити в розплав як неметалічні (Al₂O₃, Fe₃O₄, TiС та ін.), так і металеві частки (дисперсні частки металів, сталі, бронзи й ін.), формувати рідкометалічні суспензійні й емульсійні розплави і на їхній основі одержувати композиційні матеріали з більш високими фізико-механічними характеристиками. Це досягається за рахунок підвищення фізико-механічних характеристик основи внаслідок лазерного опромінення й зміцнюючого впливу введених часток, рівномірно розподілених в об'ємі сплаву. Запропоновано і досліджено метод одержання литих композиційних матеріалів з подачею сипучих інгредієнтів у газолазерному потоці на струмінь при виливанні розплаву з печі.

Даний спосіб за допомогою лазерного опромінення забезпечує підготовку поверхні частки до взаємодії з розплавом, зміні фізико-хімічних і теплофізичних властивостей поверхневого шару. За рахунок високих швидкостей співударяння часток з поверхнею розплаву відбувається заглиблення їх у розплав і дроблення, а внаслідок інтенсивного перемішування розплаву в реакторі змішування створюються умови для утворення суспензійного чи емульсійного розплавів.

На основі проведених досліджень розроблено, експериментально випробувано і впроваджено у виробництво технологічні процеси лазерного зміцнення металорізального інструменту, робочих поверхонь технологічного устаткування, лазерного наплавлення зносостійких аморфно-мікрокристалічних і композиційних покриттів, литих композиційних матеріалів.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена розвитку теорії взаємодії лазерного випромінювання з твердим і рідким металом і дисперсними частками, формування наплавлення на основі твердих розчинів, рідкометалічних емульсій і рідкометалічних суспензій, розробці способів одержання литих композиційних матеріалів за допомогою лазерного опромінення і створенню пристроїв для реалізації зазначених процесів.

Сукупність наукових положень і технічних розробок, представлених у дисертації, складає рішення важливої науково-прикладної проблеми створення високоефективних способів лазерної обробки матеріалів і вносить значний вклад у розвиток лазерних технологій. Основні результати і висновки роботи полягають у наступному:

Розвити теоретичні основи процесів взаємодії лазерного випромінювання з твердими та рідкими металевими гетерогенними системами, запропоновані механізми поведінки дисперсних часток та масоперенесення елементів, обумовлені впливом термокапілярної конвекції, молекулярної дифузії, індукованим магнітним полем.

Встановлено, що всі включення в залізовуглецевих сплавах незалежно від їх форми і розмірів рухаються в мікрометалургійній ванні розплаву, потрапляючи під гідродинамічні потоки в умовах термокапілярного перемішування, що виникає під впливом лазерного опромінення. Перенос включень у ванні розплаву з глибини до поверхні здійснюється в умовах як імпульсного, так і безперервного опромінення і забезпечує їхнє видалення з зони оплавлення.

Експериментально визначено і теоретично обґрунтовано області різного переважаючого впливу термокапілярної конвекції і молекулярної дифузії в зоні оплавлення. Встановлено, що зміна співвідношення їхнього впливу визначає формування хімічної і структурної неоднорідністей у зоні оплавлення та зоні термічного впливу.

Виявлено, що перенесення включень до поверхні розплаву залежить від геометричних розмірів і форми ванни розплаву, що, у свою чергу, визначається енергетичними параметрами лазерного випромінювання і місцем розташування включення у ванні розплаву. На границі зони фазового переходу швидкість міграції пропорційна швидкості руху фронту плавлення.

Визначено, що основним джерелом аномального масопереносу елементів у зоні оплавлення и зоні термічного впливу є неметалічні включення (оксиди, сульфіди, нітриди, карбіди і тверді розчини та сполуки на їх основі). Перерозподіл елементів у зоні лазерного впливу забезпечується за рахунок міграції неметалічних включень у зоні термічного впливу, їх розпадом і дифузією елементів у розплаві.

Експериментально виявлено і теоретично обґрунтовано наявність голкоподібніх каналів-тріщин, що утворюються в зоні термічного впливу внаслідок термічних напружень поблизу неметалічних включень з довжиною співрозмірною з зоною термічного впливу, що є каналами міграції неметалічних включень і газів, а також рідкофазної дифузії елементів у зоні термічного впливу.

Висловлено припущення, що фактором утворення аномалій перерозподілу і масопереносу елементів і фаз у зоні лазерного впливу є магнітне поле, индуковане лазерним випромінюванням. З боку цього поля на компоненти сплаву парамагнетики і діамагнетики в зоні оплавлення і зоні термічного впливу діють сили, що мають різні напрямки вектора, що залежать від магнітних властивостей компонентів.

Сформульовано необхідні умови аморфізації при лазерному опроміненні сплавів на основі системи залізо - бор. Теоретично обґрунтована й експериментально підтверджена можливість одержання аморфно-мікрокристалічних наплавочних покриттів сплавів Fe-Nd-B, Fe-Ni-B, Fe-Mo-Cr-B, що мають високі експлуатаційні властивості.

Розроблено теоретичні основи одержання лазерних композиційних наплавочних покриттів з регулярною структурою на основі рідкометалічних емульсій і суспензій. Визначено основні технологічні параметри одержання композиційних лазерних наплавлень - енергетичні параметри випромінювання, фракційний склад порошкових матеріалів і їхня витрата, швидкості наплавлення.

Досліджено взаємодію лазерного випромінювання, газового і газолазерного потоку з модельними рідинами в умовах обробки поверхні і занурення всередину рідини. Встановлено, що при накладенні ефектів впливу газового і лазерного потоків формується парогазовий канал, глибина якого у підсумку залежить від впливу тиску газового струменя і струменя віддачі пари лазерного опромінення.

Встановлено закономірності впливу комбінованого лазерно-плазмового джерела на поверхню залізовуглецевих сплавів, механізми спільного впливу лазерного і плазмового джерел енергії на формування мікрометалургійної ванни розплаву, кінцеву структуру і властивості металу.

Виявлено, що при лазерній обробці металевого розплаву обсяг зони гідродинамічного перемішування розплаву значно перевершує розміри зони оплавлення при опроміненні твердої поверхні металу. Внаслідок цього введені на поверхню розплаву під лазерний промінь дисперсні частки за рахунок гідродинамічного перемішування і зміни їх фізичних властивостей під впливом опромінення занурюються і розподіляються у всьому обсязі розплаву. Керування цими процесами є основою для одержання литих композиційних сплавів.

Доведено можливість глибинної обробки металевого розплаву газолазерними потоками з введенням у глиб розплаву дисперсних часток, що забезпечує максимальне використання енергії лазера. Теоретично обґрунтовано і практично виявлено внесок плазмових процесів у формування каверни та збільшення ефективності глибинної обробки розплаву газолазерними потоками.

Теоретично обґрунтовано й експериментально підтверджено можливість одержання литих композиційних сплавів лазерною обробкою потоку рідини з введенням дисперсних часток. Розроблено новий спосіб одержання литих композиційних матеріалів при випуску металу на жолоб в умовах лазерної обробки і подачі сипучих інгредієнтів.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Найдек В.Л., Лихошва В.П., Беседин А.М. Особенности формирования неметаллических включений при обработке углеродистой стали комплексными лигатурами // Интенсификация литейных технологий. - Киев: Ин-т проблем литья АН УССР, - 1989. - С.82-87.

2. Автором проведено підбір лігатур, умови їх введення у рідкий метал, аналіз умов формування неметалічних включень.

3. Исследование параметров жидкого и жидко-твердого состояния стали при внепечной обработке комплексными лигатурами / В.Л.Найдек, В.А.Перелома, В.П.Лихошва, А.М.Семенцев // Новые литые материалы, технологии и методы их исследования. - Киев: ИПЛ АН Украины, 1991.- С.109-113.

Автором визначені зміни параметрів рідкого стану при введенні комплексних лігатур.

4. Перелома В.А., Лихошва В.П. Лазерное воздействие на жидкое и жидко-твердое состояние алюминиевых сплавов // Литейн. пр-во.- 1992.- № 9.- С.8.

Автором запропоновано й обґрунтовано вплив лазерного випромінювання на рідкий стан алюмінієвих сплавів.

5. Лазерно-плазменная обработка железо-углеродистых сплавов / В.А. Перелома, В.П. Лихошва, К.К. Гладун, А.П. Шатрава, Н.Н. Скрипка // Металл и литье Украины.- 1994.- № 4-5.- С.29-32.

Автором обґрунтовано використання комбінованого джерела енергії для обробки металевих матеріалів, проведено теоретичні виводи та експериментальні дослідження.

6. Оплавлення шлiкерних покриттiв з зносостiйких матерiалiв променем лазера / В.А.Перелома. В.П.Лихошва. Н.Н.Скрипка. О.П. Шатрава // Метал та литво України.- 1996.- № 6.- С.22-25.

Автором визначені та обґрунтовані умови лазерного впливу при оплавленні шлікерних покрить.

7. Неметаллические включения в зоне лазерного воздействия сталей/ В.А Перелома., В.П. Лихошва, А.М.Семенцев, А.Г Шевченко // Изв. вузов. Металлы.- 1997.- №2.- С.139-142.

Автором визначені об'екти і ідеї досліджень, параметри лазерного впливу, постановка задачі, планування експерименту, аналіз та узагальнення результатів.

8. Обработка литых композиционных материалов лазером/В.А.Перелома, С.С.Затуловский, А.В.Косинская, В.П.Лихошва, А.П. Шатрава // Литейн. пр-во.- 1997.- № 8-9.- С.33.

Автором визначені умови лазерного впливу при оплавленні макрокомпозиційних матеріалів.

9. Перелома В.А., Лихошва В.П., Скрипка Н.М. Некоторые особенности лазерной обработки металлических материалов // Процессы литья.- 1998.- № 3-4.- С.9-16.

Автором визначені постановка задачі, умови проведення експериментів, аналіз та узагальнення результатів.

10. Лихошва В.П. Воздействие лазерного излучения на металлические расплавы // Вестник СевГТУ.- № 25.- 2000.- С.128-131.

11. Найдек В.Л., Лихошва В.П., Скрипка Н.Н. Свойства аморфно-микрокристаллических лазерных покрытий // Процессы литья.- 2001.- № 4.- С.15-22.

Автором проведені дослідження експлуатаційних характеристик покрить.

12. Особенности взаимодействия лазерного излучения с пленкой жидкого металла / А.А. Мочалов, В.Л. Найдек, В.П. Лихошва, С.С. Коваль // Доповіді національної академії наук України. - 2004.- № 11.- С.103-110.

Автором проведено обґрунтування фізичної моделі аномального масопереносу елементів у зоні дії лазерного випромінювання. Проведення експериментальних досліджень підтверджуючих обґрунтованість фізичної моделі.

13. Лихошва В.П. Металлургические особенности лазерного оплавления чугунов // Процессы литья.- 2004.- № 2.- С.14-22.

14. Лихошва В.П. Міграція неметалевих включень при лазерному оплавленні сталей // Металознавство та обробка металів.- 2004.- № 2.- С.77-84.

15. Лихошва В.П. Получение композиционных лазерных наплавок замораживанием жидко-металлических эмульсий // Процессы литья.- 2004.- № 3.- С.77-84.

16. Найдек В.Л., Лихошва В.П. Получение литых композиционных материалов с использование высококонцентрированных источников энергии // Процессы литья.- 2004.- № 4. - С. 42-46.

Автором запропоновано метод отримання литих композиційних матеріалів з використанням лазерного випромінювання.

17. Лихошва В.П. Утворення аустеніту у феритному чавуні у процесі лазерного оплавлення // Металознавство та обробка металів.- 2004.- № 4.- С.24-28.

18. Лихошва В.П. Лазерная аморфизация сплавов Fe-B, Fe-Ni-B, Fe-Mo-Cr-B // МТОМ.- 2004.- № 4.- C.52-61.

19. Лихошва В.П. Структуро- и фазообразовання сплавів системи Fe-Nd-B в умовах лазерного оплавлення // МОМ.- 2005.- № 2.- С.32-39.

20. Лихошва В.П. Моделирование гидродинамических эффектов при лазерной обработке расплавов // Процессы литья.- 2005.- № 2.- С.26-32.

21. Численное моделирование тепловых процессов при лазерном оплавлении покрытий из композиционного материала / В.П.Лихошва, А.Д. Подольцев, И.Н. Кучерявая, А.А.Мочалов // Національний університет кораблебудування.- 2005.- № 3 (402).- С.43-50.

Автором сформульовані фізична та математична моделі лазерного оплавлення покрить з композиційного матеріалу.

22. Лихошва В.П. Использование персональных компьютеров для управления перемещением луча лазерных технологических установок // Прикладные проблемы моделирования и оптимизации.- М.: ВНИИСИ.- 1991.- С.78.

23. N. Skripka, V. Naydek, V. Likhoshva. The receiving of amorphous and microcrystalline alloys under the laser treatment//10^th Congress of the International Federation for heat treatment and surface Engineering. Briton.- 1996.- Р.207-209.

Автором сформульовані умови аморфизації сплавів на основі системи Fe - B з введенім домішок. Проведені теоретичні та експериментальні дослідження отримання аморфних та аморфно- мікрокристалічних покрить.

24. Исследование тепловых процессов и структуры поверхностного слоя при лазерной наплавке порошковых материалов / В.А.Перелома, А.А.Щерба, А.Д.Подольцев, И.Н.Кучерявая, В.П.Лихошва, А.П. Шатрава, Н.Н.Скрипка: Препринт 823.- Киев: Ин-т электродинамики НАН Украины.- 1998.- 42 с.

25. Автором сформульовані фізична та математична моделі теплових процесів формування наплавочного покриття в умовах лазерного оплавлення порошкових матеріалів.

26. Підвищення зносостiйкостi та антифрикційних властивостей поверхонь деталей методом лазерної наплавки / В.О.Перелома, В.П.Лихошва, Н.М.Скрипка, О.П. Шатрава // Матер. 3-ї мiжн. Конф. "Нетрадицiйнi електромеханiчнi та електричні системи" Алушта, Крим.- 1997.- С.1249-1254.

Автором визначені умови проведення експериментів, аналіз та узагальнення результатів.

27. V. Pereloma., V.Likhoshva., A.Shatrava. Combined Laser-Plasma treatment of Fe-C alloys// "IFHT" Book 671 IOM Communications LTD 1 Carlton House Terrace London SW1Y 5DB, UK.- 1999.- С. 306-309.

Автором обґрунтовано використання і проаналізовані результати досліджень впливу лазерно-плазмового потоку на експлуатаційні характеристики сталі.

28. Likhoshva V., Budarin N.. Formation of Composite Materials with Laser Radiation. "Laser technologies in welding and materials processing" // Матер. мiжн. конф.- Kacavely.- 2003.- Р.51.

Автором сформульовано умови отримання литих композиційних матеріалів з використанням лазерного випромінювання.

29. Likhoshva V., Shatrava A. Reinforced bronze coatings. "Laser technologies in welding and materials processing" // Матер. мiжн. конф.- Kacavely.- 2003.- Р.65.

Автором визначені постановка задачі, умови проведення експериментів, аналіз та узагальнення результатів.

АНОТАЦІЯ

Лихошва В.П. Фізичні процеси взаємодії лазерного випромінювання з дисперсними частками в гетерогенних матеріалах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.03.07 - Процеси фізико-технічної обробки.- Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2005.

Дисертація присвячена дослідженню і розробці нових високоефективних лазерних процесів обробки матеріалів і металевих розплавів, створенню наплавлень на основі твердих розчинів, рідкометалічних емульсій і суспензій, розробці способів одержання литих композиційних матеріалів за допомогою лазерного опромінення і створенню пристроїв для реалізації зазначених процесів.

Проведено детальні теоретичні дослідження, математичне і фізичне моделювання явищ, що протікають при взаємодії лазерного променя з твердими і рідкими металами і сплавами. Виявлено поведінку неметалічних включень у чавунах і сталях та їхню роль у процесі формування структурно-фазового стану в зоні впливу лазерного випромінювання.

Досліджено вплив комбінованого лазерно-плазмового джерела енергії на поверхню залізовуглецевих сплавів, механізми їхнього спільного впливу на формування мікрометалургійної ванни розплаву, кінцеву структуру і властивості сплаву. Виконано теоретичні дослідження взаємодії лазерного випромінювання з дисперсними частками.

Визначено принципи формування емульсійного і суспензійного розплавів в умовах лазерного опромінення твердих матеріалів і порошкових сумішей. Сформульовано принципи одержання лазерних композиційних наплавлень заморожуванням емульсійних і суспензійних розплавів.

На основі математичного моделювання обґрунтовано процеси лазерної аморфізації сплаву, одержання і нанесення аморфно-мікрокристалічних покриттів. Під час досліджень процесів лазерного опромінення поверхні металевих розплавів виявлено зміни структури і фазового складу обробленого алюмінієвого сплаву. Проведено теоретичні й експериментальні дослідження взаємодії газолазерного потоку з модельними і металевими рідинами при дії його на поверхню й в умовах занурення.

Промодельовано і вивчено процеси додання сипучих інгредієнтів (неметалевих та металевих часток) на поверхню та всередину розплаву в газолазерному потоці. Розроблено нові методи одержання литих композиційних матеріалів на основі створення емульсійних і суспензійних розплавів при впливі газолазерного потоку.

АННОТАЦИЯ

Лихошва В.П. Физические процессы взаимодействия лазерного излучения с дисперсными частицами в гетерогенных материалах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.07 - Процессы физико-технической обработки.- Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2005.

Диссертация посвящена исследованию и разработке новых высокоэффективных лазерных процессов обработки материалов и металлических расплавов, созданию наплавок на основе твердых растворов, жидкометаллических эмульсий и суспензий, разработке способов получения литых композиционных материалов при помощи лазерного облучения и созданию устройств для реализации указанных процессов. Проведены детальные теоретические исследования, математическое и физическое моделирование явлений, протекающих при взаимодействии лазерного луча с твердыми и жидкими металлами и сплавами.

Выявлено поведение неметаллических включений в чугунах и сталях и их роль в процессе формирования структурно-фазового состояния в зоне воздействия лазерного излучения.

Показано, что причиной формирования химической и структурной неоднородностей в зоне оплавления и зоне термического влияния является наличие областей различного превалирующего влияния термокапиллярной конвекции и молекулярной диффузии. Установлено, что неметаллические включения (оксиды, сульфиды, нитриды, карбиды, твердые растворы и соединения на их основе) являются основным источником аномального массопереноса элементов в зоне оплавления и зоне термического влияния.

Экспериментально определено, что иглоподобные каналы трещины, которые образуются в зоне термического влияния вследствие термических напряжений вблизи неметаллических включений, являются каналами миграции включений и газов, а также жидкофазной диффузии элементов. Высказано предположение о недиффузионном характере движущих сил аномального массопереноса. Предложена гипотеза влияния магнитного поля индуцированного электромагнитным лазерным излучением на формирование аномалий перераспределения и массоперенос элементов в зоне оплавления и зоне термического влияния.

Получены выражения для сил, действующих на атомы диамагнетиков и парамагнетиков. Направления этих сил противоположны и зависят от магнитных свойств компонентов. Исследовано воздействие комбинированного лазерно-плазменного источника энергии на поверхность железоуглеродистых сплавов, механизмы их совместного влияния на формирования микрометаллургической ванны расплава, конечную структуру и свойства сплава.

Выполнены теоретические исследования взаимодействия лазерного излучения с дисперсными частицами. Определены принципы формирования эмульсионного и суспензионного расплавов в условиях лазерного облучения твердых материалов и порошковых смесей. Сформулированы принципы получения лазерных композиционных наплавок замораживанием эмульсионных и суспензионных расплавов. На основе математического моделирования обоснованы процессы лазерной аморфизации сплава, получения и нанесения аморфно-микрокристаллических покрытий.

Показано, что влияние лазерного излучения на поверхность металлического расплава, объем которого значительно превышает объем расплава в зоне оплавления при облучении твердой поверхности металла, обеспечивает гидродинамическое перемешивание всего объема расплава. При исследовании процессов лазерного облучения поверхности металлических расплавов выявлены изменения структуры и фазового состава обрабатываемого алюминиевого сплава. Введенные на поверхность расплава под лазерный луч дисперсные частицы, за счет изменения физических свойств и под воздействием гидродинамического перемешивания расплава, заглубляются и распределяются во всем объеме. Проведены теоретические и экспериментальные исследования взаимодействия газолазерного потока с модельными и металлическими жидкостями при воздействии его на поверхность и в условиях погружения. Установлено, что для получения полезных структурных изменений сплава при обработке расплава газолазерным потоком с заглублением, по сравнению с обработкой поверхности расплава без заглубления, необходимое время обработки в два раза меньше.

Обработка расплава заглубленным газолазерным потоком обеспечивает максимальную эффективность использования лазерной энергии, образуемой лазерной плазмы и отсутствие потерь легкоплавких элементов при испарении. Промоделированы и изучены процессы ввода сыпучих ингредиентов (неметаллических и металлических частиц) на поверхность и вглубь расплава в газолазерном потоке. Разработаны новые методы получения литых композиционных материалов на основе создания эмульсионных и суспензионных расплавов при воздействии газолазерного потока.

SUMMARY

V.P.Likhoshva Physical processes of laser radiation interaction with disperse particles in heterogeneous materials. - Manuscript.

Dissertation for competition for academic degree of doctor of technical sciences according the specialty 05.03.07 - Processes of physics-technical treatment. - The National Ukraine Technical University “Kiev Politechnical Institute”, Kiev, 2005.

Dissertation is devoted to the investigation and development of new high efficient laser treating processes for materials and metal melts, creation of surface fusing on the base of solid solutions, liquid metal emulsions and suspensions, development of methods for obtaining the cast composite materials using laser irradiation and creation of devices for mentioned processes achievement.

The detailed theoretical investigation, mathematical and physical modeling of phenomena taking place under interaction between laser beam and liquid and solid metals and alloys was carried out.

The behaviors of non-metal inclusions in cast irons and steels and their role in a process of structure-phase state formation in a zone of laser radiation influence were discovered.

The influence of combined laser-plasma power source upon the surface of iron-carbon alloys, mechanism of their joint influence on the formation of micrometallurgical base of melt, final structure and properties of melt was investigated.

The theoretical investigation of laser radiation interaction with disperse particles were carried out. The principle of formation of emulsion and suspension melts under conditions of laser irradiation of solid materials and powder blends were determined. The principles of obtaining the laser composite surface fusings by freezing emulsion and suspension melts were formulated. The processes of making melt the amorphous using laser, obtaining and coatication of amorphous-microcrystalline coatings were proved on the base of mathematical modeling. During the investigation of laser irradiation of metal melt surface processes there were discovered the changes of structure and phase content of treated aluminum alloy was carried out.

The theoretical and experimental researches of gas-laser flow interaction with model and metal liquids during it influence on the surface and under conditions of submersion were made. The processes of input of free-flowing ingredients (metal and non-metal particles) upon the surface and deep into melt in gas-laser flow were modeled and investigated. The new methods of obtaining cast composite materials on the base of creation of emulsion and suspension melt under influence of gas-laser flow were developed.

Размещено на Allbest.ru