Цивинская Ю.С.   Цивинский М.Ю.   Попов В.Н.  

Численный анализ конвективного массопереноса при модификации поверхности металла импульсом лазера

Reporter: Попов В.Н.

С использованием численного моделирования исследуется распределение легирующего материала, проникающего в металлическую подложку с ее поверхности в течение лазерного импульса. Под воздействием лазерной энергии происходит разогрев металла и его плавление. Плотность интенсивности импульса описывается распределением Гаусса. В образовавшейся и увеличивающейся со временем жидкой лунке развивается термокапиллярная и термогравитационная конвекция. Для расплава используются условия прилипания на фронте кристаллизации, и предполагается, что при исследуемых режимах нагрева небольшие величины конвективных скоростей обуславливают плоскую форму свободной поверхности жидкости. В начальный момент поверхность подложки покрыта слоем легирующего материала, являющимся поверхностно-активным веществом (ПАВ), который, вступая в контакт с расплавом, за счет формирующихся течений проникает в глубину проплавленного металла. После завершения импульса жидкость остывает и затвердевает. В качестве объекта исследований используется сплав железа с углеродом (0.42 % по массе), в качестве легирующего материала – сера. Эта система выбрана ввиду наличия в литературе параметров, необходимых для численной реализации модели.
Математическая модель процесса описывается нестационарными уравнениями теплопереноса и Навье-Стокса в приближении Буссинеска, дополненными уравнением конвективной диффузии примеси в цилиндрической системе координат. Наличие в расплаве примеси ПАВ обуславливает, что температурный градиент поверхностного натяжения может быть не только меньше, но и больше нуля. Численная реализация модели проводилась с использованием конечно-разностного алгоритма. Разностные уравнения строились посредством аппроксимации балансных соотношений, получаемых интегрированием основных уравнений с использованием соответствующих граничных условий.
По результатам расчетов определено, что присутствие в расплаве ПАВ к моменту прекращения импульса способствует образованию в нем нескольких тороидальных вихрей. Такая структура течения способствует переносу тепла вглубь расплава к границе фазового перехода, существенно влияя на ее форму. Наличие вихрей приводит к тому, что легирующая добавка переносится вглубь расплава и распределяется во всем объеме лунки.
Из результатов исследований можно сделать вывод, что поверхностно-активные вещества, являясь компонентами расплава, существенно влияют на процессы легирования, формируя многовихревую структуру течений, способствующую более однородному распределению легирующей добавки в расплаве. Можно предположить, что в ряде случаев, сформировав на поверхности металла композицию ПАВ с нейтральными добавками, можно повысить эффект легирования.

Работа выполнена в рамках проектов РФФИ № 10-01-00575-a и интеграционного проекта СО с УрО, ДВО РАН № 26.