ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 8, с. 854-860
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.71721:536.421
О ВЛИЯНИИ НЕРАВНОВЕСНЫХ ВАКАНСИЙ НА ПЛАВЛЕНИЕ И ПОРООБРАЗОВАНИЕ УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ
ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ © 2015 г. П. Ю. Кикин*, **, В. Н. Перевезенцев**, Е. Е. Русин*
*Институт проблем машиностроения РАН, 603024 Нижний Новгород, ул. Белинского, 85 **Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23 e-mail: pevn@uic.nnov.ru Поступила в редакцию 11.09.2014 г.; в окончательном варианте — 03.02.2015 г.
Проведен анализ экспериментальных данных по изучению взаимодействия импульсного лазерного излучения с ультрамелкозернистыми (УМЗ) алюминиевыми сплавами системы Al—Mg, полученными методами интенсивной пластической деформации. Показано, что плавление и порообразование в УМЗ-сплавах под действием лазерного излучения начинается раньше, чем в их крупнозернистых аналогах. Наблюдаемые особенности можно объяснить с единых позиций, основанных на представлениях о влиянии высокой концентрации неравновесных вакансий на поглощательную способность сплавов к лазерному излучению и на процесс порообразования.
Ключевые слова: лазерное излучение, ультрамелкозернистые алюминиевые сплавы, неравновесные вакансии, плавление, порообразование.
DOI: 10.7868/S0015323015080082
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время наблюдается общая тенденция к миниатюризации технических систем. Известно, что в микросистемах фактор масштабирования определяет проблемы проектирования, выбора материалов и процессов их формообразования для изготовления элементов и деталей микромеханических систем. В связи с этим представляется перспективным использовать УМЗ материалы с их уникальными физико-механическими свойствами. Применение таких материалов при создании микродеталей обеспечивает их высокие прочностные и эксплуатационные свойства. В настоящее время на основе методов интенсивной пластической деформации [1] разработаны технологии получения массивных и листовых УМЗ заготовок. Используя методы лазерной обработки, из них можно изготавливать детали микромеханических систем. Поэтому исследования в этом направлении представляют значительный научный и практический интерес. Важно отметить, что уникальные физико-механические характеристики УМЗ материалов, полученных методами интенсивной пластической деформации, обусловлены не только чрезвычайно развитой удельной поверхностью границ
зерен, но и предельно высокой концентрацией неравновесных дефектов. К последним можно отнести деформационные вакансии, атомная концентрация которых в УМЗ материалах достигает значений ~10-4, и дислокации ориентационного несоответствия, наведенные на границы зерен в процессе пластической деформации, линейная плотность которых составляет 105—106 см-1 [1].
В [2-11] исследовано взаимодействие высокоэнергетических одиночных и серии низкоэнергетических лазерных импульсов с алюминиевыми УМЗ сплавами 1420, 1421, АМг6, полученными методом равноканального углового прессования (РКУП) и УМЗ сплавом 1570, полученным с помощью интенсивной пластической деформации кручением (ИПДК). Было показано, что основные особенности поведения УМЗ сплавов при воздействии лазерного излучения заключаются в заметном уменьшении времени начала плавления и времени порообразования по сравнению с их крупнозернистыми аналогами.
В настоящей работе сделана попытка на основе анализа имеющихся экспериментальных результатов объяснить указанные особенности поведения УМЗ сплавов с единых позиций, основан-
80 -
В
I 60 £
Ч С
40 -
20
4 6
Время, мс
10
Рис. 1. Характерная осциллограмма отраженного сигнала [4].
ных на представлениях о влиянии неравновесных вакансий на поглощательную способность сплавов к лазерному излучению и на процесс порообразования.
АНАЛИЗ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
1. Поведение УМЗ сплавов при воздействии одиночного высокоэнергетического лазерного импульса
Рассмотрим результаты исследований [2—6] процесса плавления при воздействии одиночного лазерного импульса на УМЗ алюминиевые сплавы системы А1—М§—Li (1420, 1421) с размером зерна ~0.6—1 мкм, полученные методом равнока-нального углового прессования (РКУП) [1].
Для облучения использовали импульсный YAG:Nd3+ лазер с длиной волны излучения 1.06 мкм, работающий в режиме свободной генерации. Длительность импульса при исследовании процесса плавления составляла ~8 мс, энергия излучения изменялась в диапазоне от 25 до 40 Дж.
Основной измеряемый параметр в проведенных экспериментах — время начала процесса плавления. Его определяли по отраженной компоненте сигнала лазерного излучения от поверхности сплава и регистрировали фотодатчиком по резкому уменьшению амплитуды отраженного сигнала [3, 4]. На рис. 1 показана характерная осциллограмма отраженного сигнала, полученная в эксперименте, t1 — время начала процесса плавле-
ния, t2 — время начала процесса испарения. Область сигнала при t > t2 представляет собой мелкомасштабные осцилляции, вызванные образованием плазмы.
Как показали исследования [3—5], процесс плавления в УМЗ сплавах начинается раньше, чем в их крупнозернистых аналогах (размер зерна ~10—20 мкм) и различие во временах начала процесса плавления между ними составляет 10—20% относительно времени начала плавления крупнозернистого сплава. Соответственно, в УМЗ сплавах раньше развивается и процесс испарения. При увеличении энергии излучения различие во временах начала процесса плавления в УМЗ и крупнозернистом сплавах уменьшается.
Печной отжиг УМЗ сплава 1421, проведенный при температурах 150 и 250°С с временем выдержки 2 ч, приводил к тому, что время начала плавления УМЗ сплава увеличивалось и при температурах отжига 350°С становилось равным времени начала плавления крупнозернистого сплава. Размер зерна после отжига практически не изменялся [6].
Таким образом, можно сделать вывод о том, что различие во временах начала плавления между УМЗ и крупнозернистыми сплавами связано не столько с размером зерен, сколько с сильно неравновесным состоянием структуры УМЗ сплавов, сформированным в процессе их получения методами интенсивной пластической деформации.
0
2
8
Рис. 2. Микрократеры и области отслоения оксидной пленки в облученной зоне сплава 1421 [7].
2. Особенности поведения УМЗ сплавов при воздействии серии низкоэнергетических лазерных импульсов
Проанализируем результаты исследований воздействия на сплавы серии предварительных низкоэнергетических лазерных импульсов. Общее количество импульсов в серии соответствовало такому их числу, при котором на поверхности образца появлялись первые дефекты (микрократеры и области отслоения оксидной пленки), регистрируемые с помощью оптического металлографического микроскопа, встроенного в лазерную установку. Это число импульсов изменялось в зависимости от энергии импульсного лазерного излучения и исходного структурного состояния образца.
УМЗ сплавы 1421 и АМг6 (со средним размером зерна 1 и 0.6 мкм, соответственно) и сплав 1570 (со средним размером зерна 90 нм) облучали сериями импульсов длительностью ~8 мс с разными энергиями: Е1 = 12.0 Дж, Е2 = 16.0 Дж, Е3 = 20.0 Дж. Достаточно большое время между предварительными низкоэнергетическими импульсами в сериях облучения (~10 с) обеспечивало охлаждение поверхности образцов. Затем ту же область поверхности подвергали воздействию высокоэнергетического импульса с энергией Е4 = 30.0 Дж, который вызывал плавление сплава. Начало этого процесса регистрировали по упомянутой выше методике [3, 4].
Проведенные эксперименты показали [7, 8, 11], что при облучении достаточно малым количеством импульсов с энергиями Е1 и Е2 дефекты на поверхности образцов отсутствуют. Для исследованных УМЗ сплавов поверхность не претерпевает видимых изменений вплоть до 9—12 импульсов с энергией Е1 и 5—6 импульсов с энергией Е2, а для их крупнозернистых аналогов — вплоть до 15— 17 импульсов с энергией Е1 и 8—9 импульсов с энергией Е2, соответственно. Однако при дальнейшем увеличении числа импульсов на поверхности возникают микроскопические кратеры, размер которых в основном находится в интервале 0.2— 1.0 мкм. Процесс образования микрократеров связан, по-видимому, с отслоением и разрушением оксидной пленки, вызванными накоплением вакан-сионных пор на границе оксид-металл. Область отслоения пленки видна на фотографии как светлый контраст по периметру и темный контраст в ее центральной части (см. рис. 2).
Измерение толщины оксидной пленки на поверхности образцов, проведенное эллипсо метрическим методом, показало, что при воздействии на УМЗ сплав 1421 пяти импульсов лазерного излучения с энергией Е2 толщина оксидной пленки достигала ~15 нм, а в том же крупнозернистом сплаве ~8 нм. Рентгеновский микроанализ показал, что образовавшаяся пленка состоит в основном из оксида магния М§О, а также из Li2CO3. Присутствие в образовавшейся на поверхности пленки соединений М§О и Li2CO3 было определено с помощью рентгеновского микроанализа по совпадению и одновременному нарастанию пиков интенсивности характеристического рентгеновского излучения (например, для М§О — пики М§ и О) [7, 11].
При облучении импульсами с энергией Е3 микрократеры и отслоения оксидной пленки в УМЗ сплаве появляются уже после первого импульса, а в крупнозернистом сплаве — после 3—4 импульсов. С увеличением количества лазерных импульсов площадь поверхности, занятой отслоениями и кратерами, возрастает. Это можно объяснить неравномерным распределением интенсивности лазерного излучения по сечению пятна облучения. В первую очередь необходимые условия для образования дефектов возникают в центральной области облучения, где интенсивность излучения за счет генерации центральных мод резонатора максимальна. Далее, при увеличении количества импульсов, те же условия возникают и в периферийных областях пятна облучения.
Рассмотрим теперь влияние предварительной лазерной обработки на плавление сплавов под воздействием высокоэнергетического импульса с энергией Е4 = 30.0 Дж. На рис. 3 представлены характерные зависимости величины т1/т2
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.