поверхности материала, векции н радиационные.

например, за счет свободной кок

6.2. Изменение фазового состояния материала при нагреве лазерным излучением

Поток энергии падающего на поверхность; материала л зерного излучения может быть настолько велик, что в рб зультате воздействия в материале начнут происходить фазо вые превращения.

Для металлов наиболее характерны.м следствием увеличе« ния интенсивности нагрева и роста температуры поверхности является образование расплавленного слоя (рис. 80).

Рис. 80. Нагрев металла лазерным излучением при наличии расплавленного слоя

Описание процесса нагрева материала с учетом плавления Существенно более сложная задача, чем для однородного мЦ териала.

Необходимо рассматривать движущуюся со скоростью Мпл внутри материала границу между расплавленным и твердым веществом, учитывать скрытую теплоту плавления Qna, поглощаемую при фазовом переходе. Уравнения теплопроводности должны решаться как для расплава, так и для конденсированного вещества:

дТ, dij-

д1\ d-iT

Закон сохранения энергии на движущейся границе:

пл пл-

(6.2)

(6.3)

В уравнениях (6.2), ;(6.3) индексы 1 и 2 относятся соответственно к жидкой и твердой фазе (рис. 79). Граничные условия:

О, -с) == <7п;

(г-оо, т) =0;

T,(z 3= , т) = Tiz = 5, т) = Гпл,

где Тпл - температура плавления.

Решить поставленную задачу можно только численно. Для упрощенных вычислений часто полагают, что нет различия в теплофизических параметрах металлов в расплавленном и твердом состоянии. Тогда скорость распространения границ расплавленного слоя

«ПЛ =

p[Qn,, + Ср1Тпл- 7о)]

если ипл-6/2а<1, то (6.4) можно упростить:

(6.4)

р[9пл +Ср{Т„„-- То)]

где Ыпл та.\-максимальная скорость распространения фронта плавления.

При наличии внешних причин, вызывающих удаление расплава из зоны воздействия, скорость движения границы расплава «пл определяется с учетом объемных потерь расплава dVpldr.

«пл -~и„,, = ~ .

где S -площадь зоны расплава. { - - .

На рис. 81 приведены результаты расчета изменения-толщины зоны расплава от времени для алюминия, обдуваемого поперечным потоком воздуха с числом Маха 1,5 и 3,0. •

Если расплав непрерывно удаляется, то скорость фронта плавления постоянна и равна Unimax- Если же расплав при распространении волны плавления в глубь твердого тела не удаляется, то температура расплава растет (сМ. рис. 80) вследствие продолжающегося поглощения лазерного излучения на наружной поверхности расплава. При достаточной интенсивности падающего излучения температура может возрасти до точки кипения 7"„ип и выше. Это сопровождается воз-

никновением волны испарения; движущейся со скоростью Uaa и = ?ц

Р[<?„сп+Ср(Г„„п-ГоП

где Qitcn - скрытая теплота испарения. С увеличением <7цСК0 рость Мисп возрастает, пока не приблизится к скорости зву1-В материале При ы-ы. выражение для и имеет вид:

и = и,ехр

где ц - молекулярная масса материала, а - число Авогад ро, k - постоянная Больцмана. При этом температура йена ряющейся поверхности Т может быть существенно выше, чем Ткип. Скорость перемещения границы поверхности перестае

Рис. 81. Измеветяе толщины расЕмав-ленного слоя алюмикш, обдуваемого воздухом: - М=1,5,---Af=3,0

зависеть от интенсивности, т. е. достигает предельных значений. Для большинства металлов этот предел соответствует 103... 10 м/с и кВт/м2.

Результаты расчетов скорости испарения некоторых металлов в зависимости от интенсивности падающего излучения представлены на рис. 82. Как правило, такие режимы удается поддерживать только в течение очень коротких периодов времени. Причем важную роль в формировании поверхности материала играет давление и реактивная сила оттекающих продуктов испарения, которые при больщих энергетических потоках представляют собой высокотемператур-

ную плазму. В этих случаях необходимо учитывать взаимодействие излучения с непрозрачной плазмой и воздействие плазмы на поверхность материала.

10" , кВт/м

Рис. 82. Скорость испарения некоторых металлов под действием лазерного излучения

6.3. Взаимодействие лазерного излучения с композиционными материалами

Значительная роль в современных технических достижениях во многих областях принадлежит принципиально новбш волокнистым композиционным материалам, обладающим таким высоким уровнем прочностных, теплофизических и других характеристик, которые практически не достижимы в традиционных металлических сплавах и полимерных материалах.

Это связано с использованием исключительно высокопрочных волоконных материалов (стекловолокно, бороволокно, углеродное волокно и др.), объединяемых с помощью полимерных связующих. Кроме различных полимерных смол в качестве связующих для углеродного волокна могут применяться углеродные графитизированные матрицы. Такие композиции получили название углерод-углеродных материалов. Если в качестве связующего углеродных волокон выступают металлы (алюминий, магний, никель), то получаются метал-лоуглеродные композиции, также весьма перспективные в качестве конструкционных материалов.

Особенности взаимодействия композиционных материалов: с лазерным излучением связаны с анизотропией их свойств,; что ПРИВОДИТ к разной реакции материала на воздействие по; различным направлениям и разной скоростью прогрева и деструкции компонентов в процессе облучения. Так, углеволок-; но начинает заметно возгоняться при температурах более: 3500 К, в то время как для большинства полимерных связующих температура начала термического разложения не превосходит 1000 К. Поэтому при воздействии на поверхность композиционного материала лазерным излучением возможно освобождение волокон в результате пиролиза большей части смолы, занимающей пространство между волокнами. Эти процессы сопровождаются выделением газообразных продуктов пиролиза и появлением тепловых потоков, обусловленных химическими реакциями или испарением на поверхности материала.

Строгая математическая постановка такой задачи крайне затруднена еще и необходимостью использования большого количества эмпирических данных о конкретных характеристиках композиционных материлов.

Для оценки эффективности действия мощного лазерного излучения на композиционные материалы можно воспользоваться методами, разработанными в ракетно-космической технике, с помощью которых определяется скорость разрушения композиционных материалов под действием конвективных тепловых потоков. При этом вся сложность процессов, сопровождающих тепловое воздействие на материал, учитывается комплексом «эффективная энтальпия Ядф», значения которого определяют экспериментально (см. табл. 6.1).

Таблица 61

Тогда зависимость для определения скорости разрушения композиционного материала под действием лазерного излу-гения будет иметь вид

Естественно, что полученные по зависимости (6.5) значения скорости разрушения носят сугубо ориентировочный характер. Для их уточнения требуется тщательный анализ реальных свойств материалов, условий воздействия, характеристик лазерного луча и т. д.

6.4. Регистрация и измерение мощности и энергии лазерного излучения

Поскольку именно мощность лазерного излучения оказывается важнейшей характеристикой при определении характера и степени воздействия на материалы, то выбор способа регистрации и измерения мощности излучения приобретает большое значение для получения достоверной информации о протекаюишх при этом процессах. Мощность и энергия лазерного пзлучеиия могут быть весьма значительны, причем характер их изменения во времени существенно различен, Поэтому в общем случае используются две различные системы приемников:

- приемники (регистраторы) излучения, предназначенные для измерения мгновенных значений интенсивности и изменения их во времени;

- измерители средней мощносЧи или энергии излучения.

6.4.1. Приемники излучения

Основным элементом приемника излучения является чувствительный элемент. По физическому принципу их можно разделить на две группы: квантовые, или фотонные, и тепловые.

Основными типами фотонных приемников являются фотоэлементы с внешним (фотоумножители) и внутренним фотоэффектом (фотодиоды и фоторезисторы). К тепловым приемникам излучения относятся термопары, болометры и пироэлектрические приемники. В качестве наиболее важных характеристик приемников излучения, необходимых для их оценки используются:

- чувствительность, определяемая как отношение выходного напряжения или тока к мощности падающего излучения;

- пороговая чувствительность, или обнаружительная способность фотоприемиика, позволяющая сравнивать приемники различных типов;