CC BY
18
УДК 538.971: 536.4
ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЁВ М3А1
МЕРЗЛЯКОВА Н.М, ДРОЗДОВ А.Ю., БАЯНКИН В.Я.
Физико-технический институт УрО РАН, 426000, г. Ижевск, ул. Кирова, 132
АННОТАЦИЯ. Исследованы процессы нагрева поверхности сплава №3А1 пикосекундными импульсами лазерного излучения. С помощью численного решения уравнений теплопроводности изучены тепловые процессы, происходящие в облучаемом материале. Проведено моделирование воздействия лазерного импульса на поверхность сплава. Полученные результаты необходимы для описания механизма перераспределения компонентов сплава, связанных с термодиффузией, и образования дефектов вследствие воздействия импульсного лазерного излучения на поверхность металла.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: лазерное излучение, уравнения теплопроводности, молекулярное моделирование, диффузия.
ВВЕДЕНИЕ
При широком практическом применении лазеров в настоящее время ряд фундаментальных задач взаимодействия лазерного излучения с твердым телом остаются малоизученными. Речь, прежде всего, идет о воздействии ультракоротких (пикосекундных и фемтосекундных) лазерных импульсов на поглощающие вещества.
При описании процесса воздействия лазерного излучения на металлы можно выделить три стадии - нагревание без изменения фазового состояния; плавление и испарение; ионизация испаряемого вещества, образование плазмы. В зависимости от условий проведения эксперимента практически возможен случай, когда реализуется только первая стадия, так и случай, когда при одном импульсе лазерного излучения в материале реализуется все три стадии, и их нельзя четко разделить по времени.
Основные явления в первой стадии, характеризующейся неизменностью фазового состояния твердого тела, заключаются в отражении и поглощении излучения поверхностью, нагревании поверхности, распространения тепла вглубь среды за счет теплопроводности и эмиссии частиц с поверхности.
Существующая в настоящее время теория воздействия лазерного излучения на поверхность металла, базирующаяся на «тепловой» модели, практически отождествляет лазерный пучок с некоторым объемным или поверхностным «источником тепла», который непосредственно нагревает кристаллическую решетку металла. Анализ фазовых превращений при этом проводиться в рамках традиционного термодинамического подхода [1, 2].
В данной работе исследуется динамика процессов, протекающих при взаимодействии лазерных импульсов пикосекундной длительности с веществом, путем численного моделирования, что является перспективным направлением физики взаимодействия лазерного излучения с веществом, важным с точки зрения оптимизации существующих технологий и развития технологий в ближайшем будущем.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА
Изучаемый физический процесс изменения температуры материала при воздействии на него ультракоротким лазерным импульсом можно описать с помощью двухтемпературной модели, которая описывает передачу энергии внутри металла с помощью связанных уравнений теплопроводности для температуры электронов Те и решетки Т [3]:
= Хе АТе -а(Те - Т) + /(г, г)
е ы
С ^ = х,АТ +а(Ге -Т) от
где се (сi) - теплоемкость электронов (решетки); хе (xi) - электронная (фононная) теплопроводность; а - коэффициент передачи тепла от электронов решетке, / (г, г) - источник.
Для описания области локального разогрева с термодинамических позиций необходимо решить систему уравнений, записанную в цилиндрических координатах:
ЛФ л л лу л лу
Се (Те ) = - ^ Х (Те ) + ^ Хе (Т. ) - а(Т. - Т ) + /(г, Г)
ОТ г ОТ ОТ & &
дТ 1 д дТ. 5 дТ
С (Т) = - Т" гХг (Т) ^ + дтХг (Т ) ^ + а(Т. - Т)
от г от от & &
(2)
Ось z направлена вглубь облучаемого вещества, производная по углу отсутствует ввиду цилиндрической симметрии.
а - коэффициент, определяющий скорость выравнивания температур электронов и решетки задается в виде [3]:
ж2 mS2п „ ч
а = — ——, (3)
6 тТ0
где т - масса электрона, S - скорость звука, п - число свободных электронов в единице объема, т - время свободного пробега электрона, То - температура Дебая. Для источника / (г, г) можно принять выражение:
/ (г, /) Ч
Р
^ехр
С г2 ^
V 2< J
г <т
(4)
о, г > т0
где Р - мощность источника, < - полуширина, т0 - время действия источника. Источник
описывается распределением Гаусса, имитирующее импульсное лазерное воздействие. Начальные и граничные условия для первого и второго уравнения соответственно:
дТ. = д
дг г=0
дТ.
= 0
& 2=0
Т Те
е|г= ад С
Т е1г= _ Те ад С
/ (г, г)
дг
= 0
г=0
дТ
дг
дТ &
т1
= о
= о
(5)
= Т
ТА = ТС
» I 2=ад С
где Тс - температура кристалла до облучения, Тсе - температура электронного газа до облучения.
ОБЛУЧЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
С помощью разработанного приложения получены графики зависимости изменения температуры материала при воздействии на него ультракороткого лазерного импульса от расстояния со временем при различных интенсивностях излучения. Для этого численно решалась система уравнений (2) с параметрами, взятыми для металла №3А1.
Показано выравнивание температур электронов и решетки за время 7 нс после начала облучения по поверхности (рис. 1) и глубине (рис. 2) образца. Значение времени выравнивания входит в интервал времени установления термодинамического равновесия между электронами и решеткой, приведенный в [4]. Температура решетки достигает своего
г=0
2=0
г=ад
максимального значения, которое составляет ~1700 К. После этого момента времени начинается охлаждение материала и распространение тепла вглубь и по поверхности образца.
Из полученных графиков были вычислены начальные условия - распределение температуры по глубине в приповерхностном слое №3А1 (рис. 2) для моделирования методом молекулярной динамики перераспределения компонентов сплава в результате взаимодействия импульса лазерного излучения с поверхностью.
л
2,0 _
0,5 1,0 1.5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 _7
г ,10 м
Рис. 1. Графики изменения температуры ионной и электронной подсистем по поверхности образца в момент времени 7 нс после начала облучения при длительности лазерного импульса 10 пс.
Мощность импульса 54010 Дж/см2
2,0
05 1.0 1,5 2,0 2.5 3,0 3.5 4,0 4,5 5,0 5.5 6,0 6,5 7,0
2,10 М
Рис. 2. Графики изменения температуры ионной и электронной подсистем по глубине образца в момент времени 7 нс после начала облучения при длительности лазерного импульса 10 пс.
Мощность импульса 54010 Дж/см2
Расчеты проводились методом молекулярной динамики с использованием программы ХМО [5]. Для моделирования были использованы периодические граничные условия в направлениях ОХ и OY, в направлении OZ - свободные граничные условия. Создавалась элементарная ячейка №3А1 и транслировалась по осям X, Y, Z, задавались массы атомов № и А1. Полученная кристаллическая решетка содержала в себе 73920 атомов. Для моделирования использовался потенциал погруженного атома [6]. Шаг по времени равнялся 1-10"15 с. Кристаллит разбивался на слои по глубине, и задавалась температура каждого слоя, согласно предварительным расчетам изменения температуры образца после облучения лазерным импульсом. Температура поверхностного слоя составляла ~1000 К. Далее приведены рисунки характерных плоскостей, демонстрирующих перераспределение компонентов системы, образование дефектов через 10 нс после начала облучения пикосекундным лазерным импульсом.
На рис. 3 приведена гистограмма распределения вакансий и междоузельных атомов в 1 - 10 плоскостях кристаллита после воздействия лазерного облучения. Наибольшее количество точечных дефектов структуры наблюдается на поверхности сплава, с увеличением глубины происходит уменьшение количества дефектов. Начиная с расстояния 3,2 нм от поверхности образца, точечных дефектов структуры не наблюдается.
4 5 5 7 номер плоскости
■ - вакансии, □ - междоузельные атомы
Рис. 3. Гистограмма распределения точечных дефектов в плоскостях 1-10 сплава №3А1 через 10 нс после начала облучения пикосекундным лазерным импульсом
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Из рис. 4 видно, что поверхность сплава №3А1 обогащается атомами А1. Во второй плоскости количество атомов А1 увеличивается на ~7,0 %. В восьмой плоскости количество
атомов А1 увеличивается на ~1,4 % по сравнению с исходным состоянием. Это происходит
2
из-за того, что поверхностное натяжение № (1750 мДж/м2) в несколько раз больше поверхностного натяжения атомов А1 (915 мДж/м2), благодаря чему происходит понижение поверхностной энергии [7]. Еще одной причиной обогащения поверхностных слоев атомами А1 в сплаве №3А1 является диффузионный массоперенос под действием приложенного градиента температуры. Рассчитано, что атомы А1 будут двигаться к поверхности материала вследствие термодиффузии и могут смещаться за время ~100 нс на расстояние ~10 - 12 А [8].
Образование дефектов структуры происходит только в поверхностных слоях системы №3А1. Образование точечных дефектов структуры: вакансии (81 вакансии), междоузельные атомы (134 атома), происходит под воздействием одного импульса лазерного излучения и теплового колебания атомов в кристаллической решетке материала. Распределение дефектов показано на рис. 3. Скопления вакансий образуют поры также только в поверхностных слоях сплава. Дефекты наблюдаются с 1 по 10 слои материала.
При обработке результатов моделирования, выявлено, что происходит увеличение параметра кристаллической решетки сплава на 0,3 %. Для каждого слоя модельного кристаллита производилось сравнение величины параметра кристаллической решетки исходного и облученного кристалла. Исходный параметр решетки №3А1 задавался равным а0 = 3,56 А. После моделирования параметр решетки металла изменился до а = 3,57 А. Увеличение параметра решетки поверхностных слоев свидетельствует о наличии внутренних напряжений в сплаве после лазерного облучения. При увеличении параметра решетки снижается энергия дефектов, это приводит к тому, что затрудняется поперечное скольжение дислокаций при повышенных температурах.
о - атомы №, • - атомы А1
Рис. 4. Первая (а) и вторая (Ь), седьмая (с) и восьмая (ф плоскости системы №3А1 через 10 нс после начала облучения пикосекундным лазерным импульсом
Выявлено, что происходит локальное искажение кристаллической решетки поверхностных слоев сплава №3А1, обогащение поверхности материала атомами А1.
ВЫВОДЫ
Представлено исследование процессов нагрева сплава №3А1 пикосекундными импульсами лазерного излучения. С помощью численного моделирования изучены тепловые процессы, происходящие в облучаемом материале. Рассчитаны изменения температуры со временем при импульсном лазерном облучении поверхности металла.
Методом молекулярной динамики проведено моделирование взаимодействия импульсного лазерного облучения с поверхностными слоями системы №3А1. Выявлено влияние импульсного лазерного облучения пикосекундной длительности на изменение
состава поверхностных слоев системы №3А1. После облучения и релаксации на поверхности системы №3А1 образуются различные точечные дефекты. Результаты моделирования взаимодействия импульсного лазерного облучения с поверхностными слоями системы №3А1 показали, что поверхность системы №3А1 после воздействия пикосекундным лазерным импульсом обогащается атомами А1. Проанализирована диффузия А1 под действием приложенного градиента температуры в сплаве №3А1. Рассчитано, что атомы А1 будут двигаться к поверхности материала вследствие термодиффузии. Также происходит увеличение параметра кристаллической решетки поверхностных слоев системы №3А1.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ 10-02-96039-р_урал_а.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Миркин Л.И., Смыслов Е.Ф. Структура и свойства металлов после импульсных воздействий. М. : Изд-во МГУ, 1980. 169 с.
2. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов / справочник / под ред. Н.Н. Рыкалина, А.А. Углова и др. М. : Машиностроение, 1985. 496 с.
3. Лифшиц И.М., Каганов М.И., Танатаров Л.В. К теории радиационных изменений в металлах // Атомная энергия. 1959. Т.6. С.391-402.
4. Волков Н.Б. Скин-эффект, ионно-звуковая турбулентность и аномальный перенос в неизотермической твердотельной плазме, генерируемой мощным фемтосекундным лазером // Письма в ЖТФ. 2001. Т.27, вып. 6. С.40-49.
5. Rifkin J. XMD molecular dynamics program. http:/www.ims.uconn.edu/centers/simul. (дата обращения 25.10.10).
6. Murray S. Daw, M.I. Baskes Embedded - atom method: Derivation and application to impurities, surfaces, and other defects in metals // Physical Review B. 1984. V.29, №12. P.6443-6453.
7. Гуляев А.П. Металловедение. М. : Металлургия, 1986. 544 с.
8. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. М. : Металлургия, 1978. 248 с.
INFLUENCE OF AN IMPULSE LASER IRRADIATION ON SURFACE LAYERS COMPOSITION OF Ni3Al
Merzlyakova N.M., Drozdov A.Yu., Bayankin V.Ya.
Physical-Technical Institute, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY. Processes of Ni3Al alloy surface heating by picosecond pulses of laser radiation are investigated. The thermal processes occurring in the illuminated material are studied by the numerical solution of the heat conduction equations. Influence of a laser impulse on an alloy surface is modelled. The received results are necessary to describe 1) the alloy's components redistribution mechanism, related to thermal diffusion, and 2) the formation of defects as a consequence of impulse laser radiation of metal surface.
KEYWORDS: laser radiation, heat conduction equation, molecular simulation, diffusion.
Мерзлякова Наталья Михайловна, аспирант ФТИ УрО РАН, тел.(3412) 43-06-75, e-mail: [email protected]
Дроздов Александр Юрьевич, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ФТИ УрО РАН
Баянкин Владимир Яковлевич, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией электронной структуры поверхности ФТИ УрО РАН, тел. (3412) 43-01-71
