Особенности пространственного инкремента волнового рельефа на поверхности сплава Fe-Si Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 539

ОСОБЕННОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ИНКРЕМЕНТА ВОЛНОВОГО РЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТИ СПЛАВА Fe-Si

© П.М. Кузнецов, В.А. Федоров, А.П. Занин, М.В. Бойцова

Ключевые слова: лазерное излучение; пространственный инкремент; неустойчивость; кратер.

Исследованы особенности пространственного развития волнового рельефа на поверхности сплава Fe-Si. Показано, что увеличение плотности мощности падающего лазерного излучения приводит к насыщению термокапиллярной неустойчивости.

ВВЕДЕНИЕ

Исследования взаимодействия лазерного излучения с поверхностью металлов имеют практическую направленность. Наибольший интерес представляет промышленное применение лазерных технологий. В процессе маркировки деталей возникает волнообразный рельеф, в связи с этим особый интерес представляет пространственное развитие данной неустойчивости, которое носит не только прикладное, но и фундаментальное значение.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В экспериментах использовали пластины поли-кристаллического сплава Fe-Si толщиной 0,25 мм и средним размером зерен 10 мм, приготовленные как металлографический шлиф. Металлографические исследования проводили на оптическом микроскопе. Облучение образцов производили прямоугольной временной формой лазерного импульса. Варьирование плотности мощности производили по методике, предложенной в [1].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В результате воздействия лазерного излучения на поверхности сплава Fe-Si формируется кратер, который имеет профиль, указанный на рис. 1.

Данный профиль формируется в результате появления термокапиллярной неустойчивости [1-3]. За основные характеристики гидродинамических неустойчивостей обычно принимают: волновое число, временной и пространственный инкремент. Теоретическое рассмотрение временного инкремента проводилось в работах [3, 4]. За характеристику пространственного развития термокапиллярной неустойчивости принимают пространственный инкремент. В нашей работе эта величина определялась путем интерполяции экспонентой зависимости амплитуды рельефа (рис. 1) от расстояния до центра кратера, показатель экспоненты является пространственным инкрементом (у). Пример такой аппроксимации показан на рис. 2.

Полученная интерполяция соответствует экспоненте с коэффициентом достоверности Я2 = 0,91. Зависи-

мость пространственного инкремента рельефа от плотности мощности представлена на рис. 3, с коэффициентом достоверности (Я2) для каждой точки не менее 0,9. При превышении плотности мощности 1,1105 Вт-см-2 зависимость имеет максимум до значения инкремента ~0,055 мкм-1 и затем при превышении значения 1,7-105 Вт-см-2 монотонно спадает до исходного значения.

При облучении поверхности сплава Fe-Si высокими плотностями мощности лазерного излучения возникает кипение расплава [5], очевидно, что время воздействия паров материала за время лазерного импульса увеличивается по сравнению с облучением поверхности

Рис. 1. Профиль кратера на облучаемой стороне пластины (плотность мощности лазерного излучения 1,7-105 Вт-см-2)

2.5

2.0

9

г '-5 І

S 1.0 =

<

0.5

0.0

180 200 220 240 260 280 300

Расстояние от центра кратера (мкм)

Рис. 2. Экспоненциальная интерполяция рельефа кратера после лазерного облучения поверхности с интенсивностью 1,7-105 Вт-см-2

0,06

0,05

* 0,04 2,

Ё

4>

| 0.03 S

0.02

1,0x10* 1,5x10* 2,0x10* 2,5x10* 3,0x10* 3,5x10*

Плотность мощности, XV (Вт см'2)

Рис. 3. Зависимость пространственного инкремента рельефа от плотности мощности лазерного излучения (сплав Fe-Si)

низкими плотностями мощности, это приводит к уменьшению значений пространственного инкремента (рис. 3). Стрелкой на рис. 3 обозначено значение плотности мощности лазерного излучения (2,64-105 Вт-см-2), при которой происходит начало интенсивного горения и кипения металла. Уменьшение пространственного инкремента не приводит к подавлению термокапиллярной неустойчивости, т. к. на поверхности еще формируется рельеф. Зависимость, показанную на рис. 3, можно объяснить насыщением термокапиллярной неустойчивости. Это означает, что на некоторой стадии ее развития прекращается рост амплитуды возмущения (пространственный инкремент приближается к нулю).

ВЫВОДЫ

Таким образом, показано, что облучение поверхности сплава Fe-Si высокими плотностями мощности лазерного излучения приводит к уменьшению значений пространственного инкремента и насыщению термокапиллярной неустойчивости.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кузнецов П.М., Федоров В.А., Жигачев А.О. Эволюция рельефа кратера при воздействии лазерного излучения на поверхность стали 40Х13 // Микромеханизмы пластичности разрушения и сопутствующих явлений: труды участников 7 Междунар. конф. (MPFP-2013), 18-21 июня 2013 г., г. Тамбов. Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2013. Т. 18. Вып. 4. С. 1776-1777.

2. Федоров В.А., Кузнецов П.М., Яковлев А.В. Формирование рельефа на поверхности сплава Fe-Si в зоне воздействия лазерного излучения // Физика и xимия обработки материалов. 2013. № 1. С. 24-28.

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

4. Levchenko E.B., Chernyakov A.L. Instability of surface waves in a non-uniformly heated liquid // Sov. Phys. JETP. 1981. V. 54 (1). Р. 102-105.

5. Реди Дж. Действие мощного лазерного излучения. М.: Мир, 1974. 468 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке гранта № 12-01-97519-р_центр_а.

Поступила в редакцию 21 ноября 2013 г.

Kuznetsov P.M., Feodorov V.A., Zanin A.P., Boytsova M.V. FEATURES OF SPATIAL WAVE RELIEF ON SURFACE OF Fe-Si ALLOY

The features of the spatial development of the wave of relief on the surface of the alloy Fe-Si are investigated. It is shown that the increase of the power density of the incident laser radiation leads to saturation of thermo-capillary instability.

Key words: laser radiation; spatial growth rate; instability; crater.

Кузнецов Петр Михайлович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, магистрант по направлению подготовки «Физика» института математики, физики и информатики, e-mail: kuznetsov1985@list.ru

Kuznetsov Pyotr Mikhailovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate for Master’s Degree of Direction of Preparation of “Physics” of Mathematics, Physics and Informatics Institute, email: kuznetsov1985@list.ru

Федоров Виктор Александрович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации, зав. кафедрой общей физики, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru

Feodorov Viktor Aleksandrovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Doctor of Рhysics and Mathematics, Professor, Honored Worker of Science of Russian Federation, Head of General Physics Department, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru

Занин Андрей Павлович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, магистрант по направлению подготовки «Физика» института математики, физики и информатики, email: ZANINAP@mail.ru

Zanin Andrey Pavlovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate for Master’s Degree of Direction of Preparation of “Physics” of Mathematics, Physics and Informatics Institute, e-mail: ZA-NINAP@mail.ru

Бойцова Маргарита Викторовна, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики, e-mail: MVBoitsova@mail.ru

Boytsova Margarita Viktorovna, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor of General Physics Department, e-mail: MVBoitsova@mail.ru