Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 27, 1996 PAN- Oddział Katowice PL ISSN

Transkrypt

1 27/24 Solidification ofmetals and Alloys, No.27,1996 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 27, 1996 PAN- Oddział Katowice PL ISSN LASEROWA GENERACJA FAL KAPILARNYCH NA POWIERZCHNI MONOKRYSTALICZNEGO KOBALTU ROżNIAKOWSKI Kazimierz Instytut Fizyki Politechnika Łódzka Łódź, ui.wólczańska 219 l. WSTĘP W pracy pokazano doświadczalną możliwość generacji fal kapilarnych na powierzchni monokrystalicznego kobaltu przy pomocy quasi-stacjonarnego impulsu promieniowani o obwiedni trójkątnej, emitowanego przez laser KWANT 15. Zaobserwowano pierścieniowe fale rózniące się długością i położeniem na powierzchni krateru. Zasygnalizowano możliwości fizycznych mechanizmów ich generacji. W wielu badaniach podstawowych, a także powierzchniowych procesach technologicznych impulsowa wiązka promieniowania laserowego ogniskowana jest soczewką sferyczną (lub układem takich soczewek) na powierzchni badanego (obrabianego) obiektu. Osiągane wtedy gęstości mocy (energia zostaje zaabsorbowana w powierzchniowej warstwie materiału-metalu) są dostateczne do tego, aby warstwa ta ulegała powierzchniowemu stopieniu (bez gwahownego parowania, wymywania) a następnie gwahownemu zastygnięciu (stwardnięciu). W tak wytworzonym kraterze (kałuży ciekłego metalu na powierzchni półnieskończonej próbki w fazie stałej) zachodzą złożone procesy fizyczne zarówno w czasie działania laserowego impulsu jak i po jego wyłączeniu. Ich badania w czasie oddziaływania laserowego impulsu z próbką są ekstremalnie skomplikowane a co za tym idzie i kosztowne. Stąd też w opublikowanych dotąd badaniach problemu zdecydowanie przeważają prace (wymagające mniej nakładów) obejmujące analizę reliefu,,zamrożonej gwahownie" powierzchni czy też badanie modyfikacji własnośc i warstwy przypowierzchniowej. Na podstawie wyników tych badań wnioskuje się o zjawiskach dynamicznych, które zachodziły w wannie ciekłego metalu podczas działania laserowego impulsu oraz w czasie jej gwahownego stygnięcia. Wnioskuje się także o procesach sprzężenia zwrotnego zachodzących między promieniowaniem a badanym obiektem. Z wnikliwych i pracochłonnych badań mikroskopowych i profilometrycznych reliefu powierzchni wynika, iż centralna część zastygniętego gwahownie metalu jest zwykle wypchnięta ponad powierzchnię próbki. Jest ona otoczona obszarem na którym widoczne jest osiowo - symetryczne pofalowanie powierzchni nazywane falami kapilarnymi bądź pier ścieniowymi a także p i er ścieniowymi strukturami lub po prostu radialnymi strefami [1-4). Długość tych fal l jest rzędu 5-40 mm, czyli są znacznie większe od długości fali promieniowania laserowego użytego do powierzchniowego

2 164 topienia próbki. Amplituda tych fal wzrasta w miarę wzrostu odległości od centrum stopienia i jest znacznie mniejsza niż długość fali. Tego rodzaju struktury powstają na powierzchniach zastygniętych kraterów, które wytworzono impulsami laserów pracującyuch w układach generacji swobodnej [3,4] (mimo nieuporządkowanej struktury przestrzenno-czasowej wiązki), quasi-stacjonarnej [1 l oraz z modulacją dobroci (impuls nanosekundowyj [5]. Jeśli nie liczyć pracy Magilla i współpracowników (rejestracja historii temperatury w czasie działan i a laserovvego impulsu) [2] to dotąd nie badano eksperymentalnie przyczyn powstawania tych fal podczas działania laserovvego impulsu. Podstawy teoretyczne zjawisk, które mogą być przyczyną powstawania tych fal nie były dotąd kompleksowo analizowane. Do najważniejszych prac, w których taką próbę podjęto należy zaliczyć pracę Ruikalina i Magilla [1, 2] (pierścieniovve struktury są zamrożonymi, rozchodzącymi się radialnie falami kapilarnymi, powstającymi w wyniku działającego na centralną część kałuży ciekłego metalu impulsovvego ciśnienia par. Levchenki [6] (niejednorodne nagrzanie swobodnej powierzchni czieczy może być przyczyną powstawania nietłumionych fal termokapilarnych) oraz Tribalskiego [7] (swobodne drgania powierzchni cieczy po wyłączeniu laserovvego impulsu). Wymieniane są także inne mechanizmy (dyskutowane jakościowo), które mogą być odpowiedzialne za powstawanie radialnych fal, do ciekawszych należą: zjawiska interferencji (dyfrakcji) wiązki świetlnej w otoczeniu ogniska układu ją skupiającego [6,9], impulsowe ciśnienie par spowodowane pojedyńczymi rozbłyskami emisji laserovvej [3]. Wymienione modele nie opisują analitycznie wszystkich obserwowanych faktów eksperymentalnych np. wzrostu amplitudy fal ze wzrostem odległości, dwóch rodzajów fal [1 OJ czy jednoczesnego powstawania fal po obu stronach cienkiej próbki [4]. Należy podkreślić, że nieobecność zastygniętych pierścieniowych struktur w stopionym światłem lasera obszarze nie wyklucza ich istnienia w czasie działania laserovvego impulsu, tzn. na powierzchni cieczy. Zatem nie trudno zauważyć, że eksperymentalne badania dynamiczne ( w czasie działania laserovvego impulsu) a także o wysokiej zdolności rozdzielczej badania metalograficzne (prowadzące do wyznaczenia profilu koncentracji w powierzchniovvej warstwie metalu metodami SIMS) mogą w istotny sposób pomóc vve wskazaniu mechanizmu będącego przyczyną powstawania osiowo - symetrycznego pofalowania powierzchni. Omawiany tu sposób generacji fal kapilarnych ma także duże znaczenie w laserowych procesach technologicznych oraz w fizyce metali gdyż np.: -wzajemne oddziaływanie promieniowania i próbki (drgająca falująca p01nierzchnia) może prowadzić do procesów rezonansowych (nożovve topnienie [7]).

3 165 -obecność fal zwłaszcza na brzegu wanny powoduje mieszanie ciekłego metalu; jest to więc mechaniczny sposób wprowadzania gazu w ciekły metal, co zkolei wpływa na jego mikrotwardość [11]. -jeśli przyjąć, że obserwowane na zastygniętej powierzchni radialne struktury są obrazem fal kapilarnych, to obserwowane zjawisko można wykorzystać do pomiaru napięcia powierzchniowego i lepkości ciekłych metali [2,3]. -jeśli obraz zniszczonej laserowym promieniowaniem powierzchni zawiera fale kapilarne, to wartość strumienia energii relatywnie mniejszą powodującą ten proces można wykorzystać do oceny energii progowej topnienia badanego obiektu [5]. Celem badań doświadczalnych zawartych w niniejszej pracy jest: sprawdzenie: możliwości generacji fal kapilarnych przy pomocy quasi-stacjonarnego impulsu, o obwiedni trójkątnej (czas narastania impulsu 'to= 1.5 ms, całkowity czas trwania 't= 4.5 ms); powtarzalności zjawiska generacji fal; możliwości ich wytworzenia na powierzchni prostopadłej do osi c monokrystalicznego kobaltu. 2. EKSPERYMENT Przedmiot badań stanowiła próbka monokryształu kobaltu w kształcie graniastosłupa prostego o podstawie trójkąta równoramiennego, którego krawędzie były równe odpowiednio 13.5; 13.5; 4_.5 i 4.0 milimetrów. Próbkę wycięto tak, aby płaszczyzna obserwacji a zatem i laserowego naświetlania była prostopadła do kierunku magnetycznej osi anizotropii [0001]. Mówiąc inaczej podstawa graniastosłupa była zarazem płaszczyzną badań i obserwacji. Powierzchnię tę specjalnie przygotowano (polerowano) celem usunięcia źródeł powodujących zaburzenie obrazu domen magnetycznych (topograficznego kontrastu). Próbkę naświetlano impulsami promieniowania lasera KWANT-15 (E= 8.0 J, 'to =1.5 ms, 't= 4.5 ms, A.= 1.06 J.im) w taki sposób aby obszar laserowego oddziaływania uległ lokalnemu powierzchniowemu stopieniu. Zrealizowano to poprzez dobranie odpowiedniej geometrii naświetlania i wykonanie szeregu naświetlań nachodzących na siebie (przekrywających się) obszarów. Naświetlanie wykonano w powietrzu atmosferycznym, w temperaturze około 300 K. 3. WYNIKI BADAŃ Z przeprowadzonych badań (których niewielki fragment przytoczono na Rys.1.) widać, że ogólny charakter reliefu pofalowanej powierzchni jest powtarzalny i jednakowy w całym obszarze, mimo, że początkowa powierzchnia oddziaływania nie jest jednakowa (obszary stopione przekrywają się). W każdym przetopionym obszarze widoczne jest radialne pofalowanie powierzchni charakteryzujące się falami o długości Ac = 20 11m. Dokładnie, wielkość ta jest liniową, rosnącą fun kcją odległości od centrum krateru.

4 166 Rys.1. Fotografie (otrzymanych przy pomocy skaningowego mikroskopu elektronowego, SEM typu 88300) przetopionych obszarów. $rednica stopionego obszaru wynosi ok. 2,5 mm Na obrzeżu kraterów widoczne jest pofalowanie o długości fali A.t = 5 J..Lm. Ten rodzaj fal nie jest widoczny w każdym kraterze. Ponadto na powierzchni kilku kraterów zaobserwowano fale o długości A.r "biegnące" na falach A.c. Z przeprowadzonych badań metalograficznych wynika, że głębokość h stopionego obszaru jest co najwyżej równa 100 J..Lm. Zatem, nie jest spełniony warunek h >> A.c, czyli nie są to fale kapilarne w zbiorniku o dużej głębokości. 4. PODSUMOWANIE Zaobserwowane długości fal są znacznie mnrejsze niż długość fali świetlnej (A. = 1,06 J..Lm). Mechanizm ich powstawania jest trudny do opisania (zwłaszcza o długości A.t) ponieważ czas opadającej części laserowego impulsu jest bardzo długi ("t -'to= 3 ms). Na tym etapie wiedzy o tym zjawisku można przypuszczać, że fale o długości A.c są generowane w wyniku zależności napięcia powierzchniowego od temperatury (fale termokapilarne). Tymczasem, fale o długości A.r mogą być generowne w wyniku sprzężenia zwrotnego między padającym promieniowaniem a parami metalu nad powierzchnią krateru. fal

5 LITERATURA 1. N.N. Ruikalin, AA Uglov, AN. Kokora, Lazernaya obrabotka materialov, Moskva J.Magill, R.W Ohse, J. Nuci. Mat., 71 (1977) K. Rożniakowski, Mat. Res. Buli., 18 (1983) K. Rożniakowski, J. Mat. Sci. Lett., 4 (1985) R. L. Melcher, Appl. Phys. Lett. 46 (1985) E. B. Levchenko, AL Chernyakov, Zh. E. T. F., 81 (1981) M. L Tribelskij Kv. Elektr., 5 (1978) F. Birnbaum, J. AppL Phys. 36 (1965) J. Jabczyński, J. Jankiewicz, J. Techn. Phys., 1 (1987) O. K. Rożniakowski, Proc. Cont., Surf. Phys., Łódź AA Uglov, AG. Gnedovec, AL. Galijev, F. i Kh. O. M., 4 (1978) 18. Capiiiary waves generated by laser beam on cobalt monoerystal In this paper capiiiary waves generated by laser beam (Kwant 15, triangular pulse) are presented. Two kinds ot waves (coarse and tine) are observed on different places ot crater. Some physical mechanisms ot this phenomena is discussed.