Массоперенос в металлах под действием коротких импульсов лазера Текст научной статьи по специальности «Физика»

Физика твердого тела

УДК 669.017

В.А. Путилин, А.М. Штеренберг

МАССОПЕРЕНОС В МЕТАЛЛАХ ПОД ДЕЙСТВИЕМ КОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ ЛАЗЕРА

Исследуется взаимодействие короткоимпулъсного лазерного излучения с металлической мишенью. Экспериментально исследован массоперенос меди в никеле, инициируемый лазерно-индуцированной ударной волной. Аналитически рассмотрен процесс транспорта атомов вещества из поверхностного слоя в объем полубесконечного образца под действием поля напряжений плоской ударной волны и градиента температуры. Результаты численного расчета для плотности мощности лазерного излучения 10я Вт/см2 и длительности импульса 30 не хорошо согласуются с результатами эксперимента, проведенного в идентичных условиях.

Высокий темп ввода энергии, характерный для взаимодействия мощного короткоимпульсного лазерного излучения с металлами, и значительные скорости нагрева и охлаждения, достигающие величин порядка Ю10К/с, приводят к тому, что внутри материала формируются ударные волны высокого давления и значительные температурные градиенты. Однако лишь небольшое число работ посвящено изучению массопереноса в металлах, протекающего при таких условиях [1-4]. Поэтому возникает необходимость теоретического анализа кинетического уравнения массопереноса с учетом бародиффузии и термодиффузии и экспериментальной проверки результатов теории.

При определенных допущениях и ограничениях [5] лазерно-индуцированную ударную волну можно считать плоской. Рассмотрим процесс транспорта атомов вещества из поверхностного слоя в объем полубесконечного металлического образца под действием поля напряжений плоской ударной волны и градиента температуры.

Уравнение массопереноса с учетом бародиффузии и термодиффузии можно записать в виде

дс (Р'с д

= £>---------Г +

дї

дх

' КР дР' д ( к Т дТ'

И- — - — + — £>• — .

ч Р дх дх 1 т дх )

О)

где с - концентрация; Б - коэффициент диффузии; Р - давление; крВ - коэффициент бародиффузии; к^Б - коэффициент термодиффузии.

В операторной форме это уравнение имеет вид

¿с = 0, (2)

где

- д _ дг _ дР д _ д2р п ЭТ д _ д2т

Ь —----------1~ Г) —■ + Е)і--------------------ь ---------— + О 2-------------------------Ь /X —:

дх дх дх дх дх дх дх

ді

оу0 т

п -----1 п

1 КГ* 2 кт*

(3)

*0

Здесь У0 - парциальный объем; к- постоянная Больцмана; Т0 - абсолютная температура поверхности образца в момент прекращения действия лазерного луча; й - поток тепла.

Уравнение (2) - линейное, параболического типа, с переменными коэффициентами, решаемое по методу "параметрикса” [6]. Параметрикс в первом приближении можно записать в виде

Г(х, і, 4,т) = го(х, і, £,т) + г(х, £,т);

20 (х, І, т)

1 Г 1 1 3 ю 1 + ехр ' (х + £2 '

74я£>(/ - т) [ Р _ 4 1 1 ^ і С) 1 1

г(х,1Д,т)= | ^20(х^,1],а) Ьг0(т],<у,^,т)с1т]с1ст,

I о

где 20(х, I, £,т) - фундаментальное решение уравнения Фика для полубесконечного образца. Используя начальные условия

(4)

Гс0,0<х<с!;

^0)= п ’ , (5)

[О,л: > а,

где с! - толщина приповерхностного слоя, в котором равномерно распределено вещество с начальной концентрацией с0, можно найти его концентрационное распределение после лазерного воздействия как функциональную зависимость вида с = с(хД):

с(х,0 = / Г(х, 1,4,0) с(^,0) с!^.

(6)

Для решения уравнения (6) импульс давления принимался в виде солитона, а тепловая волна описывалась ступенчатой функцией Хевисайда:

Р(х, 0 = Р0сИ

-2

x-vt-x с

(7)

с/с (

Г(х,0 = Т0в(от -х), (8)

где и и ит - скорость распространения ударной и тепловой волн, Р0 - пиковое значение давления, х8 -расстояние между ударной и тепловой волной в начальный момент времени, Хо - полуширина ударного импульса.

Результаты численного расчета по уравнению (6) для плотности мощности лазерного излучения

109 Вт/см2 и длительности импульса 30 не представлены на рисунке кривой 1. Обнаружен концентрационный пик на глубине порядка 100 мкм, а полная глубина проникновения атомов составляет около 300 мкм.

Экспериментально исследовался массо-перенос меди в никеле. Образцы из технически чистого никеля после предварительной полировки и отжига в вакууме покрывались слоем меди толщиной ~ 1 мкм посредством вакуумного напыления. После этого их со стороны слоя меди подвергали воздействию моноимпульсов рубинового лазера с модулированной добротностью. Плотность мощности поглощенного излучения составляла Ю9-Ю10 Вт/см2, а длительность импульса т = 30 не. При этом давление в лазерно-индуцированных ударных волнах, согласно расчету по методике [5], составило - 20 ГПа. Скорость нагружения оценивалась как ~ 107 с’1.

После облучения образцы разрезались по диаметру пятна для исследования приповерхностных слоев в зоне воздействия. С целью исключения возможного шаржирования поверхности микрошлифа частицами меди в процессе механического полирования проводилась дополнительная химическая полировка поверхности микрошлифа.

Далее был осуществлен количественный микрорентгеноспектральный анализ распределения меди в никеле по глубине облученной зоны на микроанализаторе "Суперпроб - 739й. В образцах после лазерного воздействия была хорошо выявлена зона твердого раствора меди в никеле. В распределении меди наблюдается четко выраженный максимум на глубине около 80 мкм от поверхности (см. рисунок, кривая 2), а полная глубина проникновения атомов меди была порядка 300 мкм, что хорошо согласуется с приведенными выше теоретическими выкладками.

Наличие концентрационного пика в распределении меди в никеле, по мнению авторов, указывает на то, что перенос вещества осуществляется непосредственно фронтом лазерно-индуцированной ударной волны. Приближенный расчет показывает, что за время действия лазерного импульса (т = 30 не) фронт ударной волны ( скорость и > 6-103 м/с) переместится на расстояние □ > 180 мкм. Глубина залегания концентрационного пика меди в никеле имеет тот же порядок величины.

х, мкм

Расчетное концентрационное распределение по глубине металлического образца вещества, транспортированного лазерно-индуцированной ударной волной (1) и экспериментально полученное концентрационное распределение меди в никеле (2)

1. Гуревич М.Т., Ларинов JI.H., Мазанков В.Ф. и др. Влияние многократного лазерного воздействия на массопере-

нос в железе // Металлофизика. 1986. Т.З. С.80-83.

2. Мазанко В.Ф., Поглрелов А.Е. Миграция атомов церия в железе при лазерном воздействии // Металлофизика. 1986. Т.6. С.108-109.

3. Бекренев A.H., Камашев A.B., Путилин В.А. Массоперенос в металлах при короткоимпульсном лазерном воздействии // Письма в ЖТФ. 1993. Т.19. Вып.13. С.14-15.

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

5. Анисимов С.И., Кравченко В.А. Структура и свойства лазерно-ивдуцированных ударных волн // Препринт АН

СССР. 1984. 15 с.

6. Крестелев А.И., Бекренев А Н. Массоперенос в металлах под действием ударных волн // ФХОМ. 1985. Вып.2. С.58-60.