Взаимодействие лазерного излучения с материалом при получении порошков и волокон

Abstract

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 ≤ tm; 2) t > tm; 3) tm < t ≤ th (здесь tm, th – 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.