2.3. Высокотемпературные механизмы с участием испарения

Основным механизмом поверхностного разрушения материалов является испарение. Однако разрушение материала под действием лазерного излучения не ограничивается только испарением. При плотностях потоков Вт/м² происходит разрушение за счет ударной волны (см. раздел 1.2.1), выноса расплава под действием давления отдачи пара или его вскипания и т.д.

Давление отдачи паров может достигать десятков атмосфер (кг/см²). При этих давлениях расплав может быть удален с поверхности материала в виде брызг, что отчетливо наблюдается в эксперименте («вымывание» расплава).

Давление насыщенного пара связано с температурой уравнением Клаузиуса-Клайперона

,

– молекулярный (атомный) вес испаряющегося вещества, – универсальная газовая постоянная, – температура, при которой давление пара равно известной величине , – теплота испарения материала.

В бесстолкновительном приближении давление отдачи пара равно половине давления насыщенного пара

В условиях эксперимента возможно раздельное наблюдение капель жидкой фазы, выносимых в результате процессов объемного вымывания и парообразования. Это обусловлено тем, что при вымывании разлет капель происходит преимущественно под некоторым углом к поверхности зоны воздействия, в то время как процессы объемного парообразования приводят к разлету капель по нормали к поверхности расплава.

Рассмотрим роль объемного парообразования при разрушении непрозрачных материалов при воздействии лазерного излучения с плотностью потока 10⁶ Вт/см².

Для сред, не содержащих центров парообразования (загрязнений, примесей, газов и дефектов структуры), объемное (спонтанное) парообразование может играть заметную роль только при температурах порядка ( - энергия связи атомов вещества, - постоянная Больцмана). Эта величина для типичных металлов достигает десятков тысяч градусов. Роль объемного (спонтанного) парообразования мала.

В реальных условиях парообразование происходит на искусственных центрах (скопления примесей, неметаллические включения, растворенные газы и т.п.).

Критический размер пузырька, превысив который он (пузырек) становится устойчивым, то есть не может схлопнуться, но может расти, находится из условий устойчивости:

где – объем пузырька пара; – критический объем пузырька; – давление пара в пузырьке; – внешнее давление; – давление в жидкости; – коэффициент поверхностного натяжения.

Максимальный размер пузырька не может быть больше толщины слоя расплава, которая изменяется от сотен до единиц микрометра. Рост пузырька в объеме равномерно нагретой жидкости происходит пропорционально :

,

где – удельный объем жидкости; – удельный объем пара при данной температуре; – удельная теплоемкость; – величина перегрева; – постоянная, близкая к 1,7. По оценкам размер пузырька в расплаве меди при = 10⁶ – 10⁷ Вт/см² составляет 10^–5 – 10^–6 см.

Для каждого пузырька в зависимости от величины существует свое время жизни . Зависимость времени жизни отдельного пузырька от плотности мощности лазерного излучения (для меди) приведена на рис. .3.

Увеличение плотности мощности лазерного излучения и сокращение длительности импульса приводит к уменьшению толщины зоны расплава, повышению температуры в приповерхностном слое и уменьшению времени жизни зародышевых пузырьков. Это означает, что искусственные центры парообразования перестают играть заметную роль по сравнению со спонтанными. Роль объемного парообразования в процессах выноса вещества будет снижаться (продолжительность импульса меньше, чем время жизни пузырька).

Упомянем о газодинамической модели разрушения. Эта модель практически не анализирует конденсированную среду, на поверхности которой происходит испарение. Основой такого подхода к описанию процесса разрушения является тот факт, что при высоких плотностях лазерных потоков Вт/м² роль теплопроводности в твердом теле в общем энергетическом балансе существенно уменьшается, а основные энергозатраты определяются поглощением излучения плазменным облаком, так называемая экранировка лазерного излучения, падающего на вещество.

Рис. 2.3. Зависимость времени существования пузырька в жидкой фазе Cu от удельной мощности излучения .

Газодинамическая и тепловая модели разрушения материалов в диапазоне плотностей световых потоков 10¹⁰-10¹³ Вт/м² приводят к одинаковым результатам при оценке достигаемых температур и скоростей испарения. Использование аналитических выражений для и в обеих моделях дает только качественное согласие с экспериментом.