DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2020.95.5.013
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПЛАЗМЕННЫМ ПОТОКОМ,
СОДЕРЖАЩИМ МЕЛКОДИСПЕРСНУЮ ФАЗУ
Научная статья
Чащин Е.А.1& *, Балашова С.А.2
* Корреспондирующий автор (kanircha[at]listru)
Аннотация
Используемые в настоящее время технологические установки плазменного напыления обеспечивают прочность адгезионного сцепления, как правило, в пределах 30 - 40 МПа при пористости покрытий около 10 % Дальнейшее повышение достигнутого уровня труднодостижимо традиционными методами. В работе показана возможность интенсификации процессов плазменного напыления введением в плазменный поток, в качестве дополнительного источника энергии, модулированного лазерного излучения. Предложена математическая модель, описывающая взаимодействие импульсного лазерного излучения с плазменным потоком, содержащим мелкодисперсную фазу. Получены оценки энергетических и временных параметров лазерного излучения, обеспечивающих повышение эффективности плазменного напыления. Показано, что энергия вводимого дополнительно в плазменный поток лазерного излучения имеет ограничения как по минимальному, так и по максимальному уровню энергии.
INTERACTION OF PULSE LASER RADIATION WITH PLASMA FLOW CONTAINING FINELY DISPERSED
Research article
Chashchin E.A.1, *, Balashova S.A.2
* Corresponding author (kanircha[at]list.ru)
Abstract
Currently used plasma spraying technological units typically provide adhesion within the range of 30-40 MPa with a coating porosity of about 10%, and it is difficult to achieve a further increase of this level with traditional methods. The paper shows the possibility of intensifying plasma spraying processes by introducing modulated laser radiation into the plasma stream as an additional energy source. The authors propose a mathematical model that describes the interaction of pulsed laser radiation with a plasma stream containing a finely dispersed phase; they have obtained estimates of the energy and time parameters of laser radiation, which increase the efficiency of plasma spraying. It is shown that the energy of laser radiation introduced additionally into the plasma stream has limitations both on the minimum and maximum energy levels.
Введение
К настоящему времени известно более 100 тыс. направлений использования источников концентрированных потоков энергии [1], [2], [3]. При этом основная доля такого высокотехнологичного оборудования используется на промышленных предприятиях для обработки материалов. На рис. 1-3 представлено распределение спроса на лазерные технологические системы и операции [4], [5], [6].
Рис. 1 - Распределение спроса на лазерные технологические операции по основным технологическим операциям [4]
Рис. 2 - Процентное соотношение продажи лазеров для различных видов обработки материалов в 2016 г. [5]
■ 1 Раскрой металлов до 2 мм
■ 3 Раскрой металлов до 10 мм
■ 5 Раскрой неметаллов
■ 7 Прецизионная сварка (глубина до 1 мм)
■ 9 Сварка (глубина до 5 мм)
□ 11 Быстрое пр от оптирование
□ 13 Сверление отверстий в керамике
■ 15 Термоупрочнение штампов и инструмента
□ 17 Скрайбирование
□ 19 Никакие из перечисленных
■ 2 Раскрой металлов до 5 мм
■ 4 Раскрой металлов свыше 10 мм
■ 6 Раскрой керамики
■ 8 Сварка (глубина до 2 мм)
■ 10 Сварка (глубина свыше 5 мм)
□ 12 Сверление отверстий в металлах
■ 14 Термоупрочнение деталей
■ 16 Маркировка
■ 13 Другие
Рис. 3 - Технологические операции лазерной обработки [6]
Высокое качество и скорость обработки, возможность обрабатывать сложные контуры изделий и минимальные изменения структуры материала в зоне воздействия - далеко не полный перечень преимуществ технологий обработки концентрированными потоками энергии. В то же время, следует отметить, что среди приведенных видов обработки, доля технологических операций связанных с реализацией процессов нагревания и плавления материалов без разрушения, таких как напыление мала и составляет по разным оценкам (см. рис. 2-3) 5-12% и 5-9% соответственно. Одним из основных препятствий на пути внедрения технологических операций связанных с реализацией процессов нагревания и плавления материалов без разрушения в производство, является более низкая энергетическая и экономическая эффективность. Основные закономерности явлений переноса теплоты, механизм и методология исследования процессов теплообмена [7] показывают, что увеличения эффективности процессов обработки концентрированными потоками энергии можно добиться, сократив время, затрачиваемое на нагрев поверхности. Это может быть реализовано применением дополнительных источников для сопутствующего нагрева.
Одним из первых упоминаний о возможности применения подобного комбинированного воздействия можно считать предложенный в 1966 г. способ лазерно-плазменной обработки [8]. Реализация работ в этом направлении позволила разработать передовую технологию, позволяющую выполнять операции лазерно-плазменной сварки, наплавки и резки металлов (рис. 4, а), а так же закалки металлических поверхностей, нанесения покрытий и ведения других технологических процессов (рис. 4, б).
Предложенный способ комбинированной обработки концентрированными потоками энергии обеспечивает возможность существенного повышения эффективности использования лазерного излучения. В частности, при сварке алюминиевого сплава АМг-2 толщиной 0,35 мм лазерным изучением мощностью 250 Вт совместно с плазменной обработкой, скорость сварки возрастает в 3 раза до 9 м/мин [12].
Рис. 4 - Схемы интегрированных плазмотронов прямого (а) и косвенного (б) действий [12]: 1 - катод, 2 - анод, 3 - плазмоформирующее сопло, 4 - плазмообразующий газ, 5 - лазерный пучок, 6 - плазма,
Применение дополнительных источников для сопутствующего нагрева выявило ряд преимуществ, к которым следует отнести то, что тепловое воздействие не является суммой балансов тепла отдельно взятых источников лазерной и плазменной обработки [13].
Следует отметить, что рассмотренные выше методы повышения эффективности обработки концентрированными потоками энергии предназначены для повышения эффективности в первую очередь лазерной обработки. Однако при выполнении производственных операций напыления, большей производительностью, по сравнению с лазерной обработкой, обладают установки именно плазменного напыления. В то же время, используемые в настоящее время технологические установки плазменного напыления обеспечивают прочность адгезионного сцепления, как правило, в пределах 30 - 40 МПа при пористости покрытий около 10 % [14]. Дальнейшее повышение достигнутого уровня этих свойств, связано с интенсификацией теплового воздействия на частицы порошка напыляемого материала, что труднодостижимо традиционными методами. Это делает актуальным рассмотрение вопроса о возможности интенсификации процессов плазменного напыления введением в плазменный поток, в качестве дополнительного источника энергии, модулированного лазерного излучения.
Методы и принципы исследования
Высокая плотность мощности, достигаемая в импульсе модулированного излучения, вызывает возникновение оптического пробоя. Высокое поглощение энергии лазерного излучения, реализуемое в области пробоя, обеспечивает, по сравнению с традиционными методами введения лазерного излучения в плазменный поток [15], уменьшение потерь на отражение в 7-9 раз до 5-10% от уровня энергии падающего излучения. Рассмотрим тепловое воздействие модулированного излучения на плазменный поток, содержащий мелкодисперсную фазу.
Принимаем, что условием возникновения пробоя является нарастание концентрации возбужденных электронов при превышении частоты ионизации vi над частой диффузионных потерь [13].
Е = -Ю_ а ■ п-а- е
где ю - круговая частота излучения; е - диэлектрическая проницаемость вещества; £* - потенциал ионизации
атома; те - масса атома газа; а - характерный размер области воздействия луча (диаметр луча);
а - сечение взаимодействия электрон-атом; п - концентрация в месте воздействия лазерного луча на плазменный поток.
Тогда, интенсивность лазерного пучка, обеспечивающего возникновение пробоя [15]
I = ееео Е2 (2)
Сечение взаимодействия электрон-атом ст зависит от температуры плазменного потока [14]
ст - 2.66N а л
вал 0
( Г* \\ _1 "
\\ £* )
где £ш - энергия ионизации атома водорода; ао - радиус первой орбиты атома водорода; Жвал- число валентных
электронов; /¡=0.8^1.3, /2=0.7^3 - постоянные (в последующих расчетах принято /¡=1 и /2=2).
Оценим толщину слоя прогреваемого движущимся ионизационным фронтом. Будем считать, что при формировании оптического пробоя в плазменном потоке, фронт ионизации распространяется в режиме свето-детонационной волны со скоростью:
ГСДВ -(2(у2 -1))
где ро - плотность газовой среды; у - показатель адиабаты газа.
Для обеспечения равномерности свойств наносимого покрытия, за время действия импульса лазерного излучения должен обеспечиваться дополнительный прогрев плазменного потока по всему его сечению. Зная скорость (4), определим расстояние, пройденное фронтом за время г=т-Д1, где т - время воздействия излучения, М- время разогрева плазмы. Дг вычисляем по приращению температуры в приближении одномерной задачи нагрева среды с объемным поглощением [13].
а (Т,)• I-Д
ДТ - ^--(5)
Ро- СР1
где Ср1 - теплоемкость плазменного потока, принимаемая при температуре плазменного потока более 104 К равной 13 кДж/(кг-К) [14].
Рассмотрим влияние лазерного излучения, удовлетворяющего полученным условиям на нагрев плазменного потока, содержащего мелкодисперсную фазу. По неявной конечно-разностной схеме были проведены расчеты с целью оценки воздействия лазерного импульса на температуру частиц напыляемого материала. При допущении приблизительной оценки расположения фронта плавления, процессы нагрева и плавления в конденсированной среде можно рассматривать в рамках единой расчетной области без разделения на твердое тело и расплав. В соответствии с известными рекомендациями [16] в нестационарном уравнении теплопроводности для моделирования области нагрева с плавлением используем сглаженную функцию удельной теплоемкости с(Т) [16], которая, кроме сглаживания перепада в значении при фазовом переходе «твердое тело - расплав», включает в себя удельную энергию плавления:
а(Т) иТ) р у
где - температуропроводность, Т - теплопроводность, - плотность материала, - вектор скорости
движения.
Основные результаты
Технологические плазменные установки обеспечивают получение низкотемпературной плазмы с температурой потока на срезе сопла плазматрона 6^20-103К. Из рис. 5, а видно, что с уменьшением температуры плазменного потока пороговая интенсивность нелинейно возрастает до значений 1010 - 1012 Вт/см2, что может быть достигнуто при использовании импульсов модулированного излучения.
Рис. 5 - Зависимость пороговой интенсивности пробоя I i (1-3) и пиковой мощности лазерного импульса P 1 (4) в азоте
от начальной температуры ^ К.
Диаметр лазерного луча: 1 мм (1), 5 мм (2) и 10 мм (3).
Зависимость расстояния L, мм (5-7), пройденного 1111 от начальной температуры Т, К.
Длительность импульса: 100 нс (7), 200 нс (6), 300 нс (5).
Видно (рис. 5, кривая 1-3), что при уменьшении интенсивности лазерного излучения момент возникновения пробоя сдвигается к концу импульса модулированного излучения, так же видно, что при уменьшении начальной температуры плазменного потока время возникновения пробоя увеличивается, что в совокупности приводит к снижению толщины слоя. Учитывая линейные размеры плазменного потока на срезе сопла можно принять, что расстояние, пройденное фронтом должно быть не менее 1 мм. С учетом сделанного допущения видно, что временные и энергетические параметры лазерного пучка должны лежать в диапазоне: длительность импульса от 100 - 300 нс, энергия импульса не менее 0,524 Дж.
Результаты расчетов (6) приведены на рис. 6. Видно, что в результате воздействия импульсного лазерного излучения температура поверхности сферической частицы существенно превышает температуру плавления напыляемого материала. При импульсном воздействии, температура сначала повышается до максимального значения, а после окончания действия импульса, вследствие прекращения процессов испарения, температура поверхности интенсивно снижается до температуры плавления и стабилизируется на достигнутом уровне.
Рис. 6 - Зависимость температуры нагрева частицы Al2Oз от энергии импульса лазерного излучения. Длительность импульса: 10нс (1), 100нс (2), 200нс (3), 300нс (4).
Обсуждение
Из результатов расчетов видно, что энергия вводимого дополнительно в плазменный поток лазерного излучения ограничена как по минимальному уровню - при нагреве мелкодисперсной фазы находящейся в плазменном потоке, уровень дополнительно поступающей энергии должен быть не меньше необходимого для образования оптического пробоя. Так и по максимальному уровню - дополнительный нагрев лазерным излучением не должен достигать полного испарения частиц мелкодисперсной фазы.
После проведённого анализа с помощью разработанной нами математической модели (1-6) получены следующие параметры лазеров - импульсы с длительностью от 10-50 нс и энергией импульса от 0,01 до 0,25 Дж нагревают частицу до 7-9 кК и при этом она испаряется на 60-80%; импульсы длительностью 90-300 нс и энергией импульса от 0,15 до 0,524 Дж нагревают частицу до 4-6 кК и при этом частица испаряется на 20-50%. Более длинные импульсы приводят к полному испарению напыляемых частиц. Для плазменного напыления окиси алюминия с помощью подогрева лазерным излучением наиболее оптимальными являются лазеры с длительностью импульса от 100 до 250 нс и мощностью импульса от 0,15 до 0,524 Дж. Приведенные параметры показывают возможность применения серийно выпускаемых технологических лазеров. Заключение
Предложена математическая модель, описывающая взаимодействие импульсного лазерного излучения с плазменным потоком, содержащим мелкодисперсную фазу. Получены оценки энергетических и временных параметров лазерного излучения, обеспечивающих повышение эффективности плазменного напыления. Показана возможность повышения прочности адгезионного сцепления плазменно-напыленного покрытия свыше 40 ПМа.
Конфликт интересов Conflict of Interest
Не указан. None declared.
Список литературы / References
- С. 28-35.
- January, № 1. — P. 32-52.
- 344 с.
- М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004 - 49 с.
- С. 73-80.
Список литературы на английском языке / References in English
— January, № 1. — P. 32-52.
- P. 35-42. [in Russian].