Исследована импульсная лазерная обработка материалов, содержащих неоднородные нано- и микрообласти.

Дата публикации: 28/10/2010
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

Целью данной работы профессора, д.т.н. И. В. Ушакова (ГОУ ВПО Тамбовский государственный университет им. Г.Р.Державина) являлось изучение особенностей формирования свойств прозрачных и непрозрачных материалов избирательной обработкой дефектных областей импульсным лазерным излучением.
Важной задачей современного физического материаловедения является выявление закономерностей формирования свойств твердых материалов.
Во многих материалах существуют нано- и микромасштабные области, определяющие их оптические и механичёские свойства.
К таким материалам относятся не только наноструктурные материалы, но и многие «традиционные» материалы, например, элементы лазерной оптики, оптическая прочность и механическая целостность которых лимитируется неоднородными областями с размерами 10^-10...10^-6 м.
Особое значение дефектные области нано- и микромасштаба имеют для элементов лазерной оптики. Оптический пробой на одной дефектной области может привести к механическому разрушению всего оптического элемента.
В этом случае интегральные эксплуатационные характеристики оптических деталей определяются эффектами, получающими развитие в неоднородных нано- и микроразмерных областях. Оптимизировать характеристики таких материалов следует не столько путем воздействия на весь материал в целом, сколько избирательно воздействуя на локальные дефектные области, не изменяя при этом свойств окружающего материала.
Существуют материалы, в которых избирательное воздействие может быть эффективно инициировано лазерным излучением. В прозрачных материалах возможно непосредственное воздействие лазерного излучения на дефектные области и материал в их окрестности.
Избирательная лазерная обработка дефектных областей в непрозрачных материалах реализуется за счет инициирования последовательности процессов, зависящих от интенсивности и длительности воздействия лазерного излучения.
Достоинство такой обработки заключается в возможности выборочного воздействия на дефектные области, не затрагивающего окружающий материал и изменяющего его свойства.
Исследования проводили на монокристаллах КаСl, LiF и СаСО₃, количество примесей в которых составляло от 10^-2 масс. % (легированные Сг3+) до 10^-6масс. %.
Из крупных монокристаллов по плоскости спайности выкалывали кристаллы размером 15 х 15 х х 8 мм.
За порог оптического пробоя (учитывая статистическую вероятность его инициирования) принимали плотность мощности лазерного излучения, при которой вероятность оптического пробоя равна 0,5.
Воздействие на прозрачный материал мощного лазерного излучения может сопровождаться преимущественным выделением энергии на оптически «опасных» неоднородностях (например поглощающих включениях).
Оптический пробой на дефектной области приводит к формированию газа (плазмы) в объеме (на поверхности) образца, сопровождается быстрым ростом полости, формированием микро- и макроскопических трещин, способных разрушить оптическую деталь.
Несколько оптических неоднородностей нано- и микромасштаба представляют опасность для всего образца, подвергаемого воздействию лазерного излучения, и могут определять его эксплуатационные характеристики.
Правильная методика селективной обработки позволяет добиться адресного воздействия излучения только на дефектные области, не влияя на остальной материал и не изменяя его свойств.
Основной целью селективной лазерной обработки является перевод оптически неоднородных областей в неопасное для используемого лазерного излучения состояние.
Оптический пробой сопровождается формированием полости, деформированием и разрушением, при этом пластическая деформация может реализоваться за счет трансляционного скольжения (в кальците также за счет двойникования). Воздействие импульса излучения с энергией, значительно большей пороговой, приводит к хрупкому разрушению образца. В условиях реализации многократного «мягкого» оптического пробоя (нано- и микроразрушение вблизи очага оптического пробоя) возможно повышение оптической прочности материала за счет выгорания поглощающих включений с рассеиванием примесей в окружающем материале.
Оптическую и механическую (в условиях оптического пробоя) прочность материала можно значительно повысить, если в промежутке между мощными лазерными импульсами образец подвергать воздействию излучения с низкой плотностью мощности, для обеспечения релаксации напряжений и залечивания.
В работе экспериментально исследовано влияние лазерного стимулирования процессов залечивания и релаксации напряжений в окрестности дефектных областей, разрушаемых мощными лазерными импульсами, на оптическую прочность. Особенностью лазерной обработки образца по указанной методике является избирательное воздействие излучения на дефектные области и материал в их непосредственной близости.
Последовательное воздействие низкоэнергетического постоянного и импульсного лазерного излучения позволяет понизить плотность дислокаций за счет разблокирования стопоров и стимулирования их обратного движения в поле механических напряжений, а также понизить общий уровень механических напряжений, ликвидировать опасные концентраторы напряжений в окрестности вершины трещины и добиться частичного залечивания разрушения. Указанные процессы могут эффективно реализовываться на свежей микроразмерной лазерно-индуцированной трещине, не имеющей контакта с атмосферой.
Установлена возможность двух-четырехкратного повышения оптической прочности материала за счет указанной обработки. Возможности селективной лазерной обработки аморфно-нанокристаллических металлических сплавов ограничены тонким поверхностным слоем, в котором в результате лазерного облучения дефектные области могут подвергнуться преимущественной обработке.
Воздействие лазерного импульса на поверхность образца вызывает кратковременное резкое повышение температуры до 2000...5000 К и формирование шокового давления до 10 ГПа. Под влиянием схожих условий воздействия (ударная волна, кратковременное повышение температуры) аморфная матрица, нанокристаллы, дефектные области претерпевают различные изменения.
Энергетически выгодная структура нанокристаллов претерпевает меньшие преобразования. Обработка затрагивает, в первую очередь, дефектные области, способствуя снижению механических напряжений, аннигиляции дефектов на границе аморфного и нанокристаллического материала. Экспериментально установлено, что в результате сканирующей лазерной обработки аморфно-нанокристаллического металлического сплава возможно достижение двух — трехкратного повышения пластических характеристик материала, выявляемых индентированием на подложках. К настоящему времени выделены основные причины повышения пластических характеристик сплава в условиях лазерной обработки: испарение поверхностного дефектного слоя; создание локальных неоднородностей, препятствующих прямолинейному распространению трещин; перевод в неопасное состояние концентраторов механических напряжений и зародышей разрушения.
В результате увеличивается энергия, необходимая для разрушения материала, затрудняется хрупкое разрушение и повышаются пластические характеристики материала. В данной статье анализировали механические характеристики лазерно-обработанных участков и материала в их окрестности для образцов, на которых не были полностью выполнены все циклы обработки (например, из-за формирования трещин). Для разных партий аморфной ленты, даже со стандартным составом, режимы обработки, позволяющие повысить пластические характеристики, несколько различались и их подбирали в зависимости от предварительной печной термообработки.
В ходе анализа экспериментальных результатов было установлено, что механические характеристики локальных областей, подвергнутых идентичной лазерной обработке, могли значительно отличаться. Обнаружены локальные области с низкими пластическими характеристиками, индентирование которых могло вызывать формирование трещин.
Вероятно, «бракованные» образцы отличались от остальных физическими свойствами дефектных областей, а их избирательная обработка и перевод в неопасное состояние возможны при подборе режимов лазерного излучения. Очевидно, что во всех образцах происходило одинаковое удаление поверхностного слоя.
Различные пластические характеристики локальных областей могут быть связаны с наличием дефектов, различающихся комплексом характеристик (размер, химический состав, структура и пр.).
Эффективность метода селективной лазерной обработки для случая тонких лент аморфно-нанокристаллического металлического сплава может быть повышена при осуществлении дополнительного контроля за состоянием обрабатываемого материала. Изменение схемы обработки, за счет проведения дополнительного исследования механических характеристик (результатов лазерного облучения) между циклами обработки и соответствующей корректировки параметров излучения, позволило уменьшить количество брака, оптимизировать обработку.
После 40...50 циклов обработки повышение пластической характеристики материала прекращалось, что может быть связано с особенностью эволюции свойств обрабатываемых дефектных областей.
До настоящего времени точно не известно, что представляют собой дефектные области в наноструктурных материалах, получаемых методом контролируемой кристаллизации из аморфных многокомпонентных сплавов.
Нет достоверных данных о специфике воздействия импульсного лазерного излучения на дефектные области, различающиеся структурой, размерами, химическим составом.
Уточнив характеристики дефектных областей, можно целенаправленно подобрать параметры лазерного излучения, избирательно воздействующего на опасные дефектные области. Следовательно, перспективы предложенного метода связаны с возможностями экспериментального исследования неоднородных областей в аморфно-нанокристаллическом металлическом сплаве с учетом их структуры, полей механических напряжений, химического состава и других характеристик. Таким образом, использование метода селективной лазерной обработки обеспечивает оптимизацию комплекса эксплуатационных свойств материалов, характеризующихся различными механическими и оптическими свойства-ми, а также различным структурным состоянием.
Полученные результаты демонстрируют перспективность метода селективной лазерной обработки твердых материалов, физические свойства которых определяются локальными дефектными областями.
Основные направления развития рассмотренного метода связаны с изучением комплекса физических свойств дефектных областей и совершенствованием контроля результатов воздействия лазерных импульсов на материал.
Основной задачей селективной лазерной обработки является инициирование на дефектных областях последовательности процессов, приводящих к переводу обрабатываемых областей в «неопасное» для образца состояние, с одновременной минимизацией воздействия на бездефектный материал. Условием оптимизации эксплуатационных характеристик образца является проведение достаточного количества циклов обработки с одновременным контролем состояния как дефектных областей, так и всего обрабатываемого материала для соответствующей корректировки параметров лазерной обработки.

Источник: «Тяжёлое машиностроение», 2010, №8, с.34-37

Статьи по теме: