ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2007, том 103, № 1, с. 3-14
^^^^^^^^^^^^^^^^ ТЕОРИЯ
МЕТАЛЛОВ
УДК 621.785.54:548.5.001
КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС НА ФРОНТЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ БИНАРНЫХ СПЛАВОВ В УСЛОВИЯХ ЛАЗЕРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
© 2007 г. С. А. Астапчик, Н. А. Берёза
Физико-технический институт НАН Беларуси, 220141 Минск, ул. Купревича, 10 Поступила в редакцию 26.01.2006 г.
Исследован процесс формирования ячеистой структуры на фронте скоростной кристаллизации в бинарных металлических сплавах в условиях лазерного воздействия с длиной волны X ~ 1 мкм при плотности мощности излучения q ~ 108-1010 Вт/м2 и длительности импульса Т ~ 10-3 с, инициируемый конвекцией на границе расплав-кристалл. Развита оригинальная физическая модель конвективного тепломассопереноса на границе расплав-кристалл в условиях лазерного воздействия с вышеуказанными параметрами. Предложена улучшенная математическая постановка задачи на устойчивость плоского фронта кристаллизации. Приведены формулы для расчета параметров процесса тепло- и массопереноса на границе расплав-кристалл. Приведены экспериментальные данные по формированию ячеистых структур на стали 45 и на сплавах: Л62 (Cu-38% Zn) и Nb-50% Ti. Результаты выполненного исследования создают теоретическую основу для управления направленно закристаллизованной структурой и свойствами поверхностных слоев металлических сплавов при лазерном воздействии. Область применения: лазерное упрочнение поверхностных слоев сильно нагруженных узлов трения.
PACS 64.70.Dv, 81.40.Wx
ВВЕДЕНИЕ
Исследование формирования ячеистой структуры на фронте скоростной кристаллизации в бинарных металлических сплавах в условиях лазерного воздействия относится к одной из важнейших проблем теории кристаллизации - проблеме устойчивости плоского фронта кристаллизации [1, 2].
Процессы плавления и кристаллизации металлических сплавов используются в современных лазерных технологиях (лазерное легирование, лазерное модифицирование поверхности и др.). После облучения металлов и сплавов лазерным излучением с длиной волны X ~ 1 мкм в диапазоне плотности мощности излучения ~109-1010 Вт/м2 и длительности импульса т ~ 10-3 с при оплавлении их поверхности имеют место высокие скорости охлаждения ~104-107 К/с и скорости кристаллизации ~10-2-100 м/с. При этих скоростях и определенных режимах лазерной обработки по аналогии с кристаллизацией, близкой к равновесной со скоростями ~10-7-10-4 м/с, в бинарных металлических сплавах наблюдается плоский фронт, ячеистый, ячеисто-дендритный и дендритный рост (рис. 1). Увеличение скорости движения фронта кристаллизации и скорости охлаждения приводит к уменьшению размеров структуры в 10-100 раз (диаметр ячеек уменьшается до ~0.1-2 мкм) по сравнению со структурой закристаллизовавшегося сплава в условиях, близких к равновесным. Известно, что
механические свойства в большой степени зависят от параметров кристаллической структуры. Способность металлических сплавов сохранять свои свойства при высоких температурах определяется как дисперсностью структуры, так и скоростью собирательной рекристаллизации.
Закономерности изменения морфологии фронта кристаллизации при медленных скоростях движения фронта ~10-7-10-4 м/с интенсивно изучались с начала 50-х годов В. Тиллером, В. Чалмерсом, Дж. Раттером. Ими была создана теория концентрационного переохлаждения на основе представлений о диффузионном перераспределении компонентов сплава в расплаве вблизи границы расплав-кристалл [3]. Эта теория в дальнейшем была развита В.В. Маллинзом и Р.Ф. Секеркой для медленных скоростей движения границы расплав-кристалл (~10-7-10-4 м/с) [4]. Однако в дальнейшем было показано, что при медленных скоростях кристаллизации ячеистая структура в бинарных сплавах может формироваться как за счет механизма диффузионного массопереноса на границе расплав-кристалл, так и за счет конвективного механизма тепло- и массопереноса вблизи этой границы [5]. Последний представляет собой термогравитационную конвекцию на границе расплав-кристалл. Работа [5] внесла ясность, при каких управляющих параметрах формируется ячеи-
Лазерный луч
Рис. 1. Направленно-закристаллизованная структура, сформировавшаяся в молибдене с добавлением бора (2% В) после лазерного воздействия (шлиф в плоскости, параллельной лазерному лучу): 1 - граница ванны расплава; 2 - зона плоского фронта кристаллизации; 3 - зона ячеистой и ячеисто-денд-ритной структуры; 4 - исходная структура молибдена, Х150.
стая структура как в условиях конвекции на границе расплав-кристалл, так и без нее.
Проблема устойчивости плоского фронта представляет большой интерес и при высоких скоростях кристаллизации, имеющих место после лазерного расплавления поверхности сплавов. Знания о механизмах скоростной кристаллизации и управляющих параметрах, от которых зависит изменение морфологии фронта, позволят управлять структурой и свойствами поверхностных слоев сплавов, использующихся в современной триботехнике. В середине 80-х Трайведи и Курц [6], не выходя за рамки теплодиффузионного механизма перераспределения компонентов бинарного сплава в расплаве вблизи границы расплав-кристалл, расширили модель Маллинза-Секерки для высоких скоростей движения этой границы ~10-3 м/с и выше. Их модель хорошо работает при облучении поверхности металлов лазерным излучением с плотностью мощности излучения ~1012 Вт/м2 и длительностью импульса т ~ 10-8-10-12 с при оплавлении очень тонких слоев (~1 мкм). В работах [7, 8] идея о диффузионном перераспределении компонентов бинарного сплава в расплаве вблизи границы расплав-кристалл получила дальнейшее развитие. Недавно разработана математическая модель процесса перекристаллизации металлических сплавов на примере Fe-0.5% С в очень тонком поверхностном слое (порядка нескольких мкм) с учетом диффузионных процессов перераспределения компонентов сплава на границе расплав-кристалл [8]. В экспериментах, подтверждающих эту модель, использовался непрерывный С02-лазер "ЛАН-
ТАН-3М" с номинальной мощностью 1 кВт, скоростью движения луча в пределах от 0.01-0.167 м/с и диаметром пятна фокусировки 0.2-2 мм. В основном в этой работе авторы развивали теорию дендритного роста при скоростной кристаллизации.
В настоящее время существуют две тенденции при объяснении механизма формирования ячеистой структуры в бинарных сплавах из расплава при скоростной кристаллизации. Одна базируется на представлениях о диффузионном механизме перераспределения компонентов сплава на границе расплав-кристалл [6-8], другая - на представлениях о конвективном тепло- и массопереносе на этой границе [9, 10]. Пристальное внимание привлекают задачи, связанные с изучением процесса перехода от бесструктурной среды к объекту с внутренней структурой (синергетический процесс). В данной работе развита предложенная ранее оригинальная физическая модель конвективного тепло- и массопереноса в расплаве вблизи фронта кристаллизации за счет термокапиллярного и концентрационно-капиллярного механизмов, действующих на поверхности раздела расплав-кристалл [9]. Модель была дополнена с учетом больших градиентов температуры и концентрации, направленных по нормали от фронта кристаллизации в расплав. Эта модель дает ключ к пониманию процесса образования ячеистых структур в бинарных металлических сплавах, подвергнутых лазерному воздействию в вышеуказанном режиме облучения.
Следует отметить, что давно известен третий механизм формирования ячеистой структуры, связанный с возникновением дислокаций по границам ячеек, имеющий место, например, при облучении металлов импульсными электронными потоками и последующем деформировании [11]. Еще в ранней работе [12], посвященной исследованию формирования ячеистых структур в бинарных системах из расплава, экспериментально было доказано, что кроме дислокационного механизма, существует механизм формирования ячеистой структуры, связанный с концентрационным переохлаждением, т.е. с диффузионным перераспределением компонентов сплава на границе расплав-кристалл.
Актуальность темы исследования определяется необходимостью объяснения процессов, происходящих вблизи границы расплав-кристалл в расплаве после лазерного воздействия в "технологическом режиме" (процессы лазерного легирования и лазерное модифицирование поверхности), а также возросшим в последнее десятилетие научным интересом к конвекции Марангони при кристаллизации металлических сплавов, полупроводников и керамик [13-15].
ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
Анализ эксперимента по формированию ячеистых структур при скоростной кристаллизации металлических сплавов, подвергнутых лазерному облучению в случае импульсного воздействия с длиной волны X ~ 1 мкм, длительностью импульса X ~ 1 мс в диапазоне плотности мощности излучения q ~ 109-1010 Вт/м2 [16-18] дал основание для создания количественной модели образования ячеистой структуры в бинарных сплавах из жидкой фазы [19-22] с использованием синергетического подхода [23, 24]. На рис. 2 представлена для иллюстрации ячеистая структура на латуни Л62 (Си-38% Zn). Он был выбран в качестве модельного сплава.
Идея о термокапиллярном и концентрацион-но-капиллярном механизмах формирования ячеистой структуры в процессе скоростной кристаллизации была высказана в работе [9]. Один из авторов публикуемой работы, решая задачи о плавлении и кристаллизации сплавов под действием лазерного излучения [16, 17] и оценив величину градиента температурного поля, направленного по нормали от границы расплав-кристалл [25], обосновал его основную роль в поддержании устойчивости конвекции (для случая термокапиллярной конвекции) на фронте кристаллизации сплава после лазерной обработки. Аналогично для случая концентрационно-капиллярной конвекции основную роль в поддержании устойчивости конвекции играет градиент концентрации, направленный по нормали от границы расплав-кристалл в расплав.
Гипотеза образования ячеистой структуры при высоких скоростях кристаллизации расплава (~10-2 м/с) состояла в следующем. Приповерхностный слой, включающий границу расплав-кристалл, где происходит выделение скрытой теплоты кристаллизации и через который проходит поток тепла
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.