Взаимодействие лазерного излучения с материалом при получении порошков и волокон

Воздействие лазерного излучения на твердое тело приводит к изменению температурного поля обрабатываемого вещества. Характер нагрева, определяющийся скоростями изменения температуры, температурных градиентов, оказывается различным в зависимости от свойств обрабатываемого материала и условий обработки.

Основными физическими параметрами процесса лазерной обработки твердых тел являются удельная мощность поглощенного лазерного потока 10⁴–10⁹ Вт/см² и время взаимодействия металла с лучом 10^–5–10^–8 с. При взаимодействии подобных импульсов излучения с поверхностью происходит мгновенное взрывоподобное плавление части материала и перевод окружающего поверхность вещества в плазменное состояние. Последующее расширение плазмы сопровождается возникновением ударной волны с пиковым давлением 1–10 ГПа, которая действует на материал, и имеет место диспергирование металла.

Решена математическая задача нагрева и плавления цилиндрической пластины нормально падающим на ее поверхность световым потоком лазерного излучения, описываемая системой уравнений теплопроводности в трех сечениях нагреваемой пластины, которые характеризуются временным фактором воздействия лазерного излучения на вещество: 1) 0 ≤ t ≤ t_m; 2) t > t_m; 3) t_m < t ≤ t_h (здесь t_m, t_h – момент времени, соответствующий началу образования жидкой фазы и завершению плавления пластины).

Представлены расчетные зависимости изменения температуры поверхности металлических сплавов Х18Н10Т, Х15Н60 в течение воздействия импульса излучения лазера длительностью τ=5 мс. Наличие фазового перехода, связанного с плавлением металла (перегиб на кривых), ведет к временному снижению скорости роста температуры. Распределение температурных полей показывает значительную неоднородность в распределении температуры по толщине материалов, которая достигает 2000 °C и более в зависимости от толщины металла и условий воздействия. Температурные кривые нагрева поверхности повторяют форму импульса, а температура остального металла имеет нелинейную тенденцию к повышению с выходом на асимптоту.

Установлено, что процесс взрывного распыления металла требует прогрева объема материала выше температуры плавления при толщине 300–350 мкм и энергии воздействия 7–8 Дж. Снижение уровня энергетического воздействия до 5–6 Дж и увеличение толщины заготовки более 500 мкм не обеспечивают требуемого для реализации процесса распыления распределения температурных полей.

.

1. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: справ. / Н. Н. Рыкалкин [и др.]. М.: Машиностроение, 1985. 496 с.

2. Леонтьев, П. А. Лазерная поверхностная обработка металлов и сплавов / П. А. Леонтьев, Н. Г. Чеканова, М. Г. Хан. М.: Металлургия, 1986. 142 с.

3. Коваленко, В. С. Обработка материалов импульсным излучением лазеров / В. С. Коваленко. Киев: Выща шк., 1977. 144 с.

4. Соколов, А. В. Оптические свойства металлов / А. В. Соколов. М.: Физмашгиз, 1961. 464 с.

5. Бреховских, В. Ф. Определение вида пространственного распределения мощности теплового источника при действии луча лазера на сталь / В. Ф. Бреховских, А. Н. Кокора, А. А. Углов // Физика и химия обработки материалов. 1967. № 6. С. 3–9.

6. Рубинштейн, Л. И. Проблема Стефана / Л. И. Рубинштейн. Рига: Звайгзне, 1967. 457 с.

7. Гольдфарб, Э. М. Теплотехника металлургических процессов / Э. М. Гольдфарб. М.: Металлургия, 1967. 439 с.