Легирование поверхности металлов с использованием короткоимпульсного лазерного излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Легирование поверхности металлов с использованием короткоимпульсного лазерного излучения

В.А. Путилин, А.В. Камашев, А.В. Путилин Самарский государственный технический университет

Аннотация

Работа посвящена анализу возможностей легирования поверхностного слоя металлов и сплавов с использованием короткоимпульсного лазерного излучения. Экспериментально показана возможность использования лазера с наносекундной длительностью импульсов для создания микроскопических областей с заданным концентрационным распределением легирующих элементов по глубине зоны воздействия.

Ключевые слова: короткоимпульсное лазерное воздействие, упрочняющая обработка, легированный слой, концентрационное распределение легирующих элементов.

Abstract

The work is devoted to the analysis of surface alloying of metals and alloys using short pulse laser radiation. Experimentally the possibility of using nanosecond laser pulse duration to create microscopic fields with the given concentration distribution of alloying elements in depth treatment zones

Keywords: Short pulse laser influence, strengthening process, concentrational distribution, processing layer, melting.

лазер легирование наносекундный импульс

Одним из направлений в технологии поверхностной упрочняющей обработки металлов и сплавов является лазерное легирование [1-4]. Достоинством этого вида обработки является возможность создавать в поверхностных слоях локальных областей упрочненного материала, обладающих заданным комплексом физико-механических и химических свойств. Использование с этой целью коротких (порядка наносекунд) лазерных импульсов значительно расширяет возможности данного вида обработки, поскольку наряду с чисто термическим воздействием возникает механическое воздействие на обрабатываемый материал. При определенных плотностях мощности излучения воздействия происходит генерация ударных волн высокого давления, что позволяет осуществлять массоперенос легирующих элементов вглубь обрабатываемого материала на расстояния, значительно превышающие глубину их проникновения при обычной диффузии.

В более ранних работах [5-6] нами было теоретически доказано, что массоперенос в металлах при воздействии наносекундных лазерных импульсов осуществляется путем увлечения межузельных атомов фронтом лазерно-индуцированной ударной волны. В настоящей работе обосновывается возможность практического использования этого вида легирования металлов для создания микроскопических областей на поверхности обрабатываемого материала с измененным химическим составом, а следовательно, обладающим другим набором физико-механических свойств.

Материалы и методика исследования

Образцы из технически чистых железа и никеля толщиной 8 мм механически полировали и отжигали при температуре 1200^оС в течение 2 часов в вакууме 1,35*10-² Па. Затем образцы из железа покрывали тонким ~ 1мкм слоем углерода, а образцы из никеля слоем меди с помощью вакуумного поста ВУП.

Приготовленные образцы обрабатывались короткими импульсами излучения рубинового лазера (длина волны излучения л_изл = 0,687 мкм) в режиме модулированной добротности. Длительность импульсов составляла ф_имп ~ 30 нс. Диаметр пятна излучения на поверхности мишени составлял величину порядка 3,5 мм. Поэтому плотность мощности лазерного излучения оценивалась как ~ 10⁹Вт/см². Возникновение лазерно-индуцированных ударных волн при таких параметрах импульсного лазерного воздействия было теоретически обосновано и экспериментально изучено авторами работ [1-6]. Механизм возникновения ударной волны в металлической мишени обусловлен импульсом отдачи испаряюшегося тонкого (~ 0,1 мкм) поверхностного слоя металла. Давление в такой ударной волне рассчитанное согласно методике, разработанной авторами работы [6] по эмпирической формуле

где I_max - плотность мощности излучения, - ф_имп длительность лазерного импульса. Давление в лазерно-индуцированной ударной волне P, рассчитанное по методике [6] составило величину порядка 20 ГПа, скорость механического нагружения оценивалось нами как ~10⁷с^-1.

Электронно-микроскопические исследования поверхности зоны воздействия, проводились на растровом электронном микроскопе PHILIPS. Затем был проведен послойный по глубине зоны термического влияния микрорентгеноспектральный анализ на установке "SUPERPROB-739".

Обсуждение полученных результатов

В результате проведенных исследований обнаружено появление на обрабатываемой поверхности следов мощных гидродинамических процессов (рис.1).

На микрофотографии имеются следы эрозии поверхности в результате абляции, свидетельствующих в более ранних работах [5, 6] нами аналитически было получено решение уравнения массопереноса в ударных волнах.

Рис.1. Электронная растровая микрофотография поверхности никеля с нанесенным слоем меди после короткоимпульсного лазерного воздействия. Увеличение 2000х.

При этом, импульс давления принимался в виде солитона, а тепловая волна описывалась ступенчатой функцией Хевисайда:

где Р - давление, Т - температура, v - скорость распространения ударной волны, х_о - полуширина ударного импульса, И - ступенчатая функци Хевисайда.

Концентрационные распределения меди в никеле, а также углерода в железе показаны на Рис.2. На рисунке также показана кривая аналитического уравнения массопереноса в ударных волнах.

Выводы

1. На основании данного исследования, а также теоретических исследований, проведенных ранее, установлено, что массоперенос в металлах при коротко-импульсном лазерном воздействии осуществляется путем увлечения межузельных атомов в поле лазерно-индуцированной ударной волны. Об образовании ударных волн свидетельствует появление на обрабатываемой поверхности следов мощных гидродинамических процессов.

Рис.2. Кривая 1 - аналитическое решение уравнения массопереноса, кривые 2 и 3, соответственно, концентрационные распределения меди в никеле и углерода в железе.

2. Одной из возможных причин ускоренного массопереноса является каналирование поверхностных слоев обрабатываемого материала и создание условий для экструзирования расплавленного легирующего материала вглубь образца.

3. Продемонстрирована техническая возможность создания в приповерхностных областях обрабатываемого материала слоев с измененным содержанием элементов, а также чередования слоев с повышенным и пониженным содержанием легирующего материала.

лазер легирование наносекундный импульс

Список литературы

1. Криштал М.А., Жуков А.А., Кокора А.Н. Структура и свойства сплавов, обработанных излучением лазера. М.: Металлургия. 1973. 192 с.

2. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. Справочник. - М.: Машиностроение. 1985. 496 с.

3. Гуреев Д.М., Ямщиков С.В. Основы физики лазеров и лазерной обработки материалов. Самара: Изд. Самарского университета, 2001. - 392 с.

4. Путилин В.А., Камашев А.В. Анализ кинетического уравнения массопереноса, инициируемого короткими импульсами лазера//Письма в ЖТФ, 1997, Т.23, В.5, - С. 84-87.

5. Путилин В.А., Штеренберг А.М., Камашев А.В., Крестелев А.И. Динамика межузельного атома в поле плоской лазерно-индуцированной ударной волны. Вестник СамГТУ, 2000, №9, - С.190-191.

6. Лебо А.И., Лебо И.Г., Батани Дж. Зависимость давления в сжатом конденсированном веществе от параметров мощных лазерных импульсов. Квантовая электроника, 2008, Т.38, N.8, - С.749-754.

7. Яковлев М.А. Особенности взаимодействия пикосекундных лазерных импульсов средней мощности с конденсированным веществом. Квантовая электроника, 2009, Т.39, N.1, - С.442-448.

Размещено на Allbest.ru