Микроструктура зоны оплавления при многократном импульсном лазерном воздействии
Исследовали воздействие лазерных импульсов (Е = 20 Дж, τ = 0,8 мс, n ≤ 5) на один и тотже участок поверх ности образцов сплавов Fe-Al-C и Fe-Al-Mn-C. Установили, что при увеличении количества импульсов до 5, последующие зоны оплавления уменьшаются по отношению к первоначально расплавленным зонам....
Saved in:
| Published in: | Физическая инженерия поверхности |
|---|---|
| Date: | 2003 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
2003
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98431 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Микроструктура зоны оплавления при многократном импульсном лазерном воздействии / И.Е. Гнатюк, В.А. Андрющенко, В.И. Бондарь, Е.Н. Дзевин // Физическая инженерия поверхности. — 2003. — Т. 1, № 2. — С. 137–140. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859881031082967040 |
|---|---|
| author | Гнатюк, И.Е. Андрющенко, В.А. Бондарь, В.И. Дзевин, Е.Н. |
| author_facet | Гнатюк, И.Е. Андрющенко, В.А. Бондарь, В.И. Дзевин, Е.Н. |
| citation_txt | Микроструктура зоны оплавления при многократном импульсном лазерном воздействии / И.Е. Гнатюк, В.А. Андрющенко, В.И. Бондарь, Е.Н. Дзевин // Физическая инженерия поверхности. — 2003. — Т. 1, № 2. — С. 137–140. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физическая инженерия поверхности |
| description | Исследовали воздействие лазерных импульсов (Е = 20 Дж, τ = 0,8 мс, n ≤ 5) на один и тотже участок поверх
ности образцов сплавов Fe-Al-C и Fe-Al-Mn-C. Установили, что при увеличении количества импульсов до
5, последующие зоны оплавления уменьшаются по отношению к первоначально расплавленным зонам.
При 1< n ≤5 оплавленный объем разделяют границы, количество которых соответствует количеству импуль
сов. Изменение объема зон оплавления объяснили изменением теплопроводности этих зон из-за восходя
щей диффузии углерода из глубины образцов к обрабатываемой поверхности.
Досліджували вплив лазерних імпульсів (Е = 20 Дж,
τ = 0,8 мс, n ≤ 5) на одну і тужділянку поверхнізразків
сплавів Fe-Al-C і Fe-Al-Mn-C. Встановили, що при
збільшенні кількості імпульсів до 5, наступні зони
оплавлення зменшуються по відношенню до першо
початково розплавлених зон. При 1 < n ≤ 5 оплавлений
об’єм розділяють межі, кількість яких відповідає кіль
кості імпульсів. Зміну об’єму зон оплавлення поясни
ли зміною теплопровідності цих зон через висхідну
дифузію вуглецю з глибини зразків до оброблюваної
поверхні.
The effect of laser pulses (E = 20 J, t = 0,8 ms, n < 5) on
the same site of the surface of specimens of Fe-Al-C and
Fe-AI-Mn-C alloys is studied. It was found that on
increasing number of pulses up to 5, the subsequent melted
zones decrease in relation to originally melted ones. For
1 < n < 5 the melted volume is divided by boundaries, the
number of which amount corresponds to the number of
pulses. The change of zone volume is explained by the
change in the thermal conduction of these zones due to
the increased diffusion of carbon from the specimen bulk
to a surface under processing.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:52:21Z |
| format | Article |
| fulltext |
ФІП ФИП PSE, 2003, том 1, № 2, vol. 1, No. 2 137
ВВЕДЕНИЕ
Общим для всех случаев лазерной обработки яв-
ляется неоднородное распределение легирующих
элементов по глубине с резким изменением
свойств (концентраций, параметров решетки и
микротвердости) у нижней границы проплав-
ленной зоны [1]. Как установили авторы [2], в
нижней части зоны оплавления обе фазы, жидкая
и твердая, имеют наибольшую концентрацию
углерода и других легирующих элементов. Ав-
торы [3,4] показали, что при импульсной лазерной
обработке происходит восходящая диффузия
атомов внедрения. За время действия импульса
атомы углерода направленным кооперативным
потоком перемещаются из глубинных слоев к
обрабатываемой поверхности [3].
Приведенные утверждения инициировали
предположение, что последующие импульсы ла-
зерного излучения будут воздействовать как бы
на иной, обогащенный атомами внедрения мате-
риал. Авторы настоящей работы предположили,
что многократное лазерное воздействие в одну
точку поверхности будет приводить к относитель-
ному уменьшению зоны оплавления при каждом
последующем импульсе. Поэтому, в настоящей
работе была поставлена задача – изучить струк-
турное состояние зоны оплавления в зависимости
от количества и плотности энергии импульсов
лазерного воздействия направленных в одну и ту
же точку поверхности.
Структурные изменения в зоне термического
влияния, которая расположена ниже оплавленной
зоны, подробно исследованы на монокристал-
лических образцах сплавов Fe-Al-C и описаны в
работе [5]. В этой зоне фиксируется прослойка с
низким содержанием атомов внедрения. Волнис-
тый рельеф, возникающий на поверхности кратера
оплавленных участков поликристаллических
образцов при импульсном лазерном воздействии,
УДК 535: 621.373.826
МИКРОСТРУКТУРА ЗОНЫ ОПЛАВЛЕНИЯ ПРИ МНОГОКРАТНОМ
ИМПУЛЬСНОМ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
И.Е. Гнатюк, В.А. Андрющенко, В.И. Бондарь, Е.Н. Дзевин
Институт металлофизики НАН Украины (Киев)
Украина
Поступила в редакцию 17.04.2003
Исследовали воздействие лазерных импульсов (Е = 20 Дж, τ = 0,8 мс, n ≤ 5) на один и тот же участок поверх-
ности образцов сплавов Fe-Al-C и Fe-Al-Mn-C. Установили, что при увеличении количества импульсов до
5, последующие зоны оплавления уменьшаются по отношению к первоначально расплавленным зонам.
При 1< n ≤5 оплавленный объем разделяют границы, количество которых соответствует количеству импуль-
сов. Изменение объема зон оплавления объяснили изменением теплопроводности этих зон из-за восходя-
щей диффузии углерода из глубины образцов к обрабатываемой поверхности.
изучен и описан в работе [6] и в настоящей работе
не рассматривается.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА
ЭКСПЕРИМЕНТА
Материалом для исследования служили сплавы
Fe-Al-C и Fe-Mn-Al-C.
Поликристаллические образцы подвергались
лазерному воздействию с оплавлением поверх-
ности на установке КВАНТ-18М, длительность
импульса τ = 0,8мс, частота импульсов n = 2 сек,
диапазон энергий 5 ÷ 20Дж. Металлографические
исследования проводили на микроскопе МИМ-7.
Образцы для микроструктурных исследований
получали последовательным шлифованием,
полированием и химическим травлением поли-
кристаллических образцов в плоскости, паралле-
льной направлению оси лазерного луча.
Микротвердость измеряли на микротвердо-
мере ПМТ-3. Химический и фазовый состав
исследованных образцов приведен в табл. 1.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Как видно из рис. 1 – 3, оплавленная зона отли-
чается по структуре от остальной части образ-
Таблица 1
Химический и фазовый состав
исследованных образцов
4 2 2 4 ост. ––
№
спла-
ва
Хим. состав, мас. % Фазовый состав, %
1
2
3
С
2
2
2
4
Mn Al Fe αм Kф αFe-Al
γ
–
–
–
6
10
ост.
ост.
ост.
ост.
ост.
ост.
∼100
∼5
∼5
∼5∼75
–
–
–
∼35
10
55
ФІП ФИП PSE, 2003, том 1, № 2, vol. 1, No. 2138
ца. При увеличении плотности мощности одного
импульса зона оплавления сужается в диаметре
и заметно углубляется (рис. 2).
Если плотность мощности импульсов лазера
неизменна, то после нескольких импульсных
лазерных воздействий в одну точку на осевом
разрезе образцов можно зафиксировать необыч-
ную микроструктуру. По глубине зоны оплавления
фиксируются четко выраженные границы, раз-
деляющие зону оплавления на части. Количество
этих частей соответствует количеству импульсов
лазерного воздействия.
На рис. 1 видна наполовину расплавленная
крупная карбидная частица К-фазы. Идентифи-
кация таких частиц на микрошлифах проводилась
визуально. Эти частицы при данном химическом
составе сплава и использовании определенного
травителя (“царской водки”) травятся слабее,
чем аустенит и мартенсит, и имеют более свет-
лый оттенок на шлифе. Из рис. 1 видно, что
К-фаза полностью не растворяется. Она измель-
чается, при этом измельченные частицы вытяну-
ты вдоль направления градиента температуры.
При увеличении содержания алюминия в
сплаве до 10 % частицы К-фазы имеют сфери-
ческую форму практически по всему объему
оплавленной зоны (рис. 3б). Также на примере
этого сплава хорошо видно, что границы первой
оплавленной зоны имеют более изломанный вид,
чем границы последующих оплавленных зон
(рис. 3). В некоторых местах границы оплавлен-
ной зоны как бы окаймляют частицы К-фазы.
Для сплава Fe-4%Al-2%Mn-C также фикси-
руются границы последовательно расплавленных
зон. Однако эти границы выражены менее четко,
чем для сплавов Fe-Al-C (рис. 4) и расстояние
между границами незначительно.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Причину образования четко выраженных границ
в зоне оплавления можно объяснить следующим
образом. После первого импульса, благодаря во-
сходящей диффузии, атомы углерода направ-
леным кооперативным потоком движутся к
МИКРОСТРУКТУРА ЗОНЫ ОПЛАВЛЕНИЯ ПРИ МНОГОКРАТНОМ ИМПУЛЬСНОМ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
Рис. 1. Микроструктура осевого разреза образца сплава Fe–4%Al–2%C после пятикратного импульсного лазерного
воздействия с оплавлением поверхности (10 Дж, 8 мс). 1 – 5 – последовательно расплавляемые зоны.
Рис. 2. Осевой разрез зоны оплавления после импульсного лазерного воздействия на поверхность образца сплава
Fe-6%Al-2%C, ×70: а – 10 Дж, 8мс; б – 15 Дж, 8мс; в – 20 Дж, 8мс.
б
в
а
×70 ×450
К-фаза5
4
3
2
1
ФІП ФИП PSE, 2003, том 1, № 2, vol. 1, No. 2 139
И.Е. ГНАТЮК, В.А. АНДРЮЩЕНКО, В.И. БОНДАРЬ, Е.Н. ДЗЕВИН
Рис. 3. Осевой разрез зоны оплавления после многократного импульсного лазерного воздействия на поверхность образцов
сплавов (10 Дж, 8мс): а – Fe-6%Al-2%C – пять импульсов; б – Fe-10%Al-2%C – три импульса; ×70.
а б
обрабатываемой поверхности [3, 4]. По этой при-
чине зона обогащается углеродом и, соответст-
венно, ее теплопроводность понижается. Такая
зона с пониженной теплопроводностью при по-
следующем импульсе препятствует распростра-
нению температурного фронта вглубь металла,
фиксируя фронт проплавления на некотором
расстоянии от края первоначально оплавленной
зоны, которая образовалась в результате преды-
дущего импульса. Каждый последующий импульс
приводит к увеличению концентрации углерода в
приповерхностном слое и к уменьшению его
теплопроводности. Соответственно, расстояние
между границами проплавления по глубине с
каждым последующим импульсом возрастает.
Из рис. 5 видно неоднородность распределения
микротвердости возле границы, разделяющей
части зоны оплавления. Микротвердость возле
границы больше по величине, чем на некотором
расстоянии от нее по обе стороны. Это подтверж-
дает факты, изложенные в работах [1, 2].
Отличие образования оплавленых зон при
многократном лазерном облучении сплава
Fe-4%Al-2%Mn-C обусловлено, очевидно, тем,
что атомы марганца подавляют восходящую диф-
фузию атомов углерода к обрабатываемой по-
верхности и такого увеличения концентрации
углерода в расплавленной зоне как для сплавов
Fe-Al-C не происходит. Последовательно рас-
плавленные зоны мало отличаются одна от дру-
гой по теплопроводности и соответственно, по глу-
бине (рис. 4).
Таким образом, в работе показано, что после-
довательное воздействие импульсов лазера на
один и тот же участок поверхности сплавов
Fe-Al-C приводит к эффекту разделения зоны
оплавления на отдельные прослойки с разными
химическими состояниями и свойствами. Этот
эффект менее заметен в сплавах Fe-Al-Mn-C.
Рис. 4. Микроструктура оплавленой зоны и зоны термического влияния после многократного импульсного облучения об-
разцов сплава Fe-4% Al-2% Mn-C, ×70; а – 2 импульса, 15 Дж, б – 3 импульса, 15 Дж.
ба
ФІП ФИП PSE, 2003, том 1, № 2, vol. 1, No. 2140
МИКРОСТРУКТУРА ЗОНЫ ОПЛАВЛЕНИЯ ПРИ МНОГОКРАТНОМ ИМПУЛЬСНОМ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изменяя мощность и количество импульсов
лазерного излучения, воздействующего на один
и тот же участок поверхности сплавов, можно
инициировать разделение оплавляемого объема
на отдельные зоны оплавления, образование
которых происходит вследствие восходящей
диффузии атомов внедрения и изменения
теплопроводности в зоне оплавления после
каждого воздействия.
Дальнейшие исследования этого эффекта мо-
гут привести к разработке физических основ
получения наперед заданных структур и свойств
в прослойках оплавленной лазерным излучением
зоны.
ЛИТЕРАТУРА
1. Нищенко М.М. Фазообразование и электронные
свойства быстрозатвердевших сплавов в поверх-
ностном слое после лазерного импульсного воз-
действия // Дисс. докт. физ.-мат. наук – ИМФ. –
1993. – 335 с.
2. Сафонов А.Н., Алексеенко С.И. Исследование
структуры стали 40Х10С2М после обработки по-
верхности СО2-лазером непрерывного действия
// МиТОМ. – 1996. – № 12. – С. 10-13.
3. Измайлов Е.А., Горбач В.Г. Направленное пере-
мещение атомов углерода в сталях, стимулирован-
ное лазерным излучением // Доклады АН СССР. –
1986. – Т. 286. – № 2. – C. 348-351.
4. Андрющенко В.А., Дзевин Е.Н., Мазанко В.Ф.,
Свечников В.Л. Восходящая диффузия в при-
поверхностных слоях сплавов Fe-Al-C в процессе
лазерного воздействия // Металлофизика и новей-
шие технологии. – 1999.– Т. 21, № 9. – С. 71-77.
5. Андрющенко В.А., Гнатюк И.Е., Дзевин Е.Н. Вли-
яние импульсного лазерного воздействия на ори-
ентации α-мартенсита в закаленных Fe-Al-C спла-
вах //Металлофизика и новейшие технологии. –
2001. – Т. 23, № 6. – С. 777-788.
6. Данильченко В.Е., Польчук Б.Б. Особенности мик-
рорельефа поверхности технического железа в зо-
не воздействия излучения импульсного лазера//
МиТОМ. – 2001. – № 2. – С. 15-17.
МІКРОСТРУКТУРА ЗОНИ ОПЛАВЛЕННЯ ПРИ
БАГАТОКРАТНІЙ ІМПУЛЬСНІЙ ЛАЗЕРНІЙ ДІЇ
І.Є. Гнатюк, В.А. Андрющенко,
В.І. Бондарь, Є.Н. Дзевін
Досліджували вплив лазерних імпульсів (Е = 20 Дж,
τ = 0,8 мс, n ≤ 5) на одну і ту ж ділянку поверхні зразків
сплавів Fe-Al-C і Fe-Al-Mn-C. Встановили, що при
збільшенні кількості імпульсів до 5, наступні зони
оплавлення зменшуються по відношенню до першо-
початково розплавлених зон. При 1 < n ≤ 5 оплавлений
об’єм розділяють межі, кількість яких відповідає кіль-
кості імпульсів. Зміну об’єму зон оплавлення поясни-
ли зміною теплопровідності цих зон через висхідну
дифузію вуглецю з глибини зразків до оброблюваної
поверхні.
Рис. 5. Распределение микротвердости возле границы про-
плавленных зон после импульсного лазерного облучения с
оплавлением поверхности, ×150.
MICROSTRUCTURE OF MELTED ZONE AT
MULTIPLIED LASER PULSES ACTION
I.Ye. Gnatyuk, V.A. Andryuschenko,
V.I. Bondar, Ye.N. Dzevin
The effect of laser pulses (E = 20 J, t = 0,8 ms, n < 5) on
the same site of the surface of specimens of Fe-Al-C and
Fe-AI-Mn-C alloys is studied. It was found that on
increasing number of pulses up to 5, the subsequent melted
zones decrease in relation to originally melted ones. For
1 < n < 5 the melted volume is divided by boundaries, the
number of which amount corresponds to the number of
pulses. The change of zone volume is explained by the
change in the thermal conduction of these zones due to
the increased diffusion of carbon from the specimen bulk
to a surface under processing.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-98431 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1999-8074 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:52:21Z |
| publishDate | 2003 |
| publisher | Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гнатюк, И.Е. Андрющенко, В.А. Бондарь, В.И. Дзевин, Е.Н. 2016-04-14T15:05:02Z 2016-04-14T15:05:02Z 2003 Микроструктура зоны оплавления при многократном импульсном лазерном воздействии / И.Е. Гнатюк, В.А. Андрющенко, В.И. Бондарь, Е.Н. Дзевин // Физическая инженерия поверхности. — 2003. — Т. 1, № 2. — С. 137–140. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1999-8074 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98431 535: 621.373.826 Исследовали воздействие лазерных импульсов (Е = 20 Дж, τ = 0,8 мс, n ≤ 5) на один и тотже участок поверх ности образцов сплавов Fe-Al-C и Fe-Al-Mn-C. Установили, что при увеличении количества импульсов до 5, последующие зоны оплавления уменьшаются по отношению к первоначально расплавленным зонам. При 1< n ≤5 оплавленный объем разделяют границы, количество которых соответствует количеству импуль сов. Изменение объема зон оплавления объяснили изменением теплопроводности этих зон из-за восходя щей диффузии углерода из глубины образцов к обрабатываемой поверхности. Досліджували вплив лазерних імпульсів (Е = 20 Дж, τ = 0,8 мс, n ≤ 5) на одну і тужділянку поверхнізразків сплавів Fe-Al-C і Fe-Al-Mn-C. Встановили, що при збільшенні кількості імпульсів до 5, наступні зони оплавлення зменшуються по відношенню до першо початково розплавлених зон. При 1 < n ≤ 5 оплавлений об’єм розділяють межі, кількість яких відповідає кіль кості імпульсів. Зміну об’єму зон оплавлення поясни ли зміною теплопровідності цих зон через висхідну дифузію вуглецю з глибини зразків до оброблюваної поверхні. The effect of laser pulses (E = 20 J, t = 0,8 ms, n < 5) on the same site of the surface of specimens of Fe-Al-C and Fe-AI-Mn-C alloys is studied. It was found that on increasing number of pulses up to 5, the subsequent melted zones decrease in relation to originally melted ones. For 1 < n < 5 the melted volume is divided by boundaries, the number of which amount corresponds to the number of pulses. The change of zone volume is explained by the change in the thermal conduction of these zones due to the increased diffusion of carbon from the specimen bulk to a surface under processing. ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України Физическая инженерия поверхности Микроструктура зоны оплавления при многократном импульсном лазерном воздействии Мікроструктура зони оплавлення при багаторазовому імпульсній лазерній дії Microstructure of melted zone at multiplied laser pulses action Article published earlier |
| spellingShingle | Микроструктура зоны оплавления при многократном импульсном лазерном воздействии Гнатюк, И.Е. Андрющенко, В.А. Бондарь, В.И. Дзевин, Е.Н. |
| title | Микроструктура зоны оплавления при многократном импульсном лазерном воздействии |
| title_alt | Мікроструктура зони оплавлення при багаторазовому імпульсній лазерній дії Microstructure of melted zone at multiplied laser pulses action |
| title_full | Микроструктура зоны оплавления при многократном импульсном лазерном воздействии |
| title_fullStr | Микроструктура зоны оплавления при многократном импульсном лазерном воздействии |
| title_full_unstemmed | Микроструктура зоны оплавления при многократном импульсном лазерном воздействии |
| title_short | Микроструктура зоны оплавления при многократном импульсном лазерном воздействии |
| title_sort | микроструктура зоны оплавления при многократном импульсном лазерном воздействии |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98431 |
| work_keys_str_mv | AT gnatûkie mikrostrukturazonyoplavleniâprimnogokratnomimpulʹsnomlazernomvozdeistvii AT andrûŝenkova mikrostrukturazonyoplavleniâprimnogokratnomimpulʹsnomlazernomvozdeistvii AT bondarʹvi mikrostrukturazonyoplavleniâprimnogokratnomimpulʹsnomlazernomvozdeistvii AT dzevinen mikrostrukturazonyoplavleniâprimnogokratnomimpulʹsnomlazernomvozdeistvii AT gnatûkie míkrostrukturazonioplavlennâpribagatorazovomuímpulʹsníilazerníidíí AT andrûŝenkova míkrostrukturazonioplavlennâpribagatorazovomuímpulʹsníilazerníidíí AT bondarʹvi míkrostrukturazonioplavlennâpribagatorazovomuímpulʹsníilazerníidíí AT dzevinen míkrostrukturazonioplavlennâpribagatorazovomuímpulʹsníilazerníidíí AT gnatûkie microstructureofmeltedzoneatmultipliedlaserpulsesaction AT andrûŝenkova microstructureofmeltedzoneatmultipliedlaserpulsesaction AT bondarʹvi microstructureofmeltedzoneatmultipliedlaserpulsesaction AT dzevinen microstructureofmeltedzoneatmultipliedlaserpulsesaction |