Особенности формирования рельефа кратера при воздействии лазерного излучения на поверхность силицида железа Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЛЬЕФА КРАТЕРА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ СИЛИЦИДА ЖЕЛЕЗА

© В.А. Федоров, П.М. Кузнецов, Е.В. Зингер

Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Россия, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru

Ключевые слова: лазер; неустойчивость; металл; сплав.

Рассматриваются сопутствующие явления, характерные для взаимодействия когерентного излучения с поверхностью поликристаллического кремнистого железа.

Появление оптических квантовых генераторов создало уникальную возможность получения новых материалов, а также спровоцировало бурное развитие исследований в области импульсных энергетических воздействий. Благодаря особым свойствам лазерного излучения (когерентность, поляризация, высокие плотности энергии и т. д.) стало возможным управлять внутренними процессами в твердом теле, а также производить модификацию поверхности материалов [1], в частности металлов. При взаимодействии лазерного излучения с поверхностью металлов возможно появление всякого рода эффектов, связанных с тепловыми воздействиями.

В работе использовались пластины поликристаллического сплава Fe-Si толщиной 0,25 мм и средним размером зерен ~ 5 мм. Облучали образцы на установке ЛТА-4-1 с активным элементом на основе иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом. Длина волны излучения 1,064 мкм. Характерный размер зоны лазерного воздействия не превышал 0,5 мм. Энергию воздействия лазерного импульса определяли

измерителем энергии и мощности ИЭМ-4-1. Все эксперименты производились при комнатной температуре.

Определена характерная энергия образования кратера (оплавления поверхности), она составляет = 0,35 Дж для импульса прямоугольной формы с длительностью 3-10-3 с. Кратер имеет форму конуса. В интервале энергий от 0,6 до 2 Дж на поверхности кратера образуется кольцевой квазипериодический волнообразный рельеф (рис. 1), период которого зависит от расстояния до центра кратера и изменяется в пределах 0,008-0,017 мм. При повышении энергии до = 1,5 Дж на противоположной стороне пластин формируется аналогичная зона воздействия (рис. 1). На обратной стороне диаметр кратера и период колец колеблются в широких пределах от импульса к импульсу при облучении одной энергией, но всегда меньше, чем на лицевой стороне. На обратной стороне образца, как видно из рис. 1, существует более четко выраженный рельеф (причем число колец больше, чем на лицевой стороне) и кольца формируются почти из середины кратера.

Рис. 1. Изображения кратеров в одном масштабе на лицевой и обратной стороне, формирующихся под действие одного прямоугольного импульса 1,95 Дж 2,9 мс

0,012 ■

0,01 -

| 0,008 -

| 0,006 -Он

<и

С 0,004'

0,002 -

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12

Расстояние, мм

Рис. 2. Зависимость периода концентрических колец от расстояния до периферии кратера (для кратера на обратной стороне, представленного на рис. 1)

Появление периодического волнообразного рельефа на поверхности кратера связано с термокапиллярными явлениями [2, 3], которые возникают вследствие зависимости коэффициента поверхностного натяжения от температуры. Тем не менее, отсутствие колец в центре кратера на лицевой стороне говорит о том, что существует слой с большей толщиной расплава, который препятствует образованию таких концентрических колец [4]. Зависимость, показанную на рис. 2, можно объяснить тем, что при воздействии лазерными импульсами с большой энергией металл нагревается до

высокой температуры (при этом интенсивного испарения не происходит), остывая в кратере, возникает значительный радиальный градиент температуры, благодаря чему поверхностное натяжение больше на периферии кратера, чем в его середине.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мирзоев Ф.Х., Панченко В.Я., Шелепин Л.А. Лазерное управление процессами в твердом теле // УФН. 1996. Т. 166. № 1. С. 3-32.

2. Banishev A.F., Golubev V.S., and Khramova O.D. Study of the Key-hole-Formation Dynamics // Laser Physics. 1993. V. 3. № 6. P. 11981202.

3. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / под ред. В.Я. Панченко. М.: Физматлит, 2009. 664 с.

4. Мирзаде Ф.Х. Волновая неустойчивость слоя расплавленного металла, образующегося при интенсивных лазерных воздействиях // ЖТФ. 2005. Т. 75. № 8. С. 32-36.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 09-01-97514 р_центр_а.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Fedorov V.A., Kuznetsov P.M., Zinger E.V. Features of formation of a relief crater at influence of laser radiation on a surface of iron silicide.

The accompanying phenomena which are typical for interaction of coherent radiation with a surface of polycrystalline siliceous iron are considered.

Key words: laser; instability; metal; alloy.