Спектральные свойства лазерно-индуцированной микроплазмы при термоупрочняющей обработке титана

Егорова К.А., Салех Х., Петров А.А., Синев Д.А. Спектральные свойства лазерно-индуцированной микроплазмы при термоупрочняющей обработке титана // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2026. Т. 26, № 3. С. 457–465. doi: 10.17586/2226-1494-2026-26-3-457-465

Введение. Термоупрочнение металлов под лазерным воздействием на вспомогательный поглощающий слой происходит за счет формирования и распространения плазменного факела в пространственно-ограниченных условиях. При этом обычно исследования сосредоточены на изучении достигаемых в результате обработки значений твердости post factum, а особенности плазменного факела в пространственно-ограниченных условиях представляются недостаточно подробно изученными. Можно предположить, что вклад плазменного факела определяет перераспределение лазерной энергии, протекание ударно-волновых процессов и формирование поверхностного слоя с улучшенными функциональными свойствами. Целью работы является определение связи свойств лазерно-индуцированной микроплазмы при термоупрочняющей лазерной обработке титана с параметрами лазерного воздействия и конфигурацией мишеней. Метод. Исследованы закономерности формирования плазменного факела методом оптической эмиссионной спектроскопии при различных параметрах наносекундного лазерного излучения с длиной волны 1064 нм. Интенсивность свечения плазменного факела и эмиссионные спектры регистрировались в диапазоне 380–740 нм с применением оптоволоконного спектрометра

«Avantes». В качестве объекта исследования использовались технически чистые титановые пластины марки ВТ1-0, которые были изучены в трех конфигурациях мишеней: исходная титановая пластина; титановая пластина под стеклянной пластиной; титановая пластина, покрытая слоем графитового порошка и стеклянной пластиной. Обработка зарегистрированных эмиссионных спектров плазменного факела включала вычитание фонового сигнала, коррекцию с использованием кривой спектральной чувствительности прибора и кривой спектра пропускания стекла, а также анализ спектральных линий с применением базы данных NIST Atomic Spectra Database. Численные значения твердости модифицированных поверхностей были определены путем проведения измерений твердости по шкале Виккерса с малой нагрузкой. Основные результаты. Получено, что при лазерной обработке с импульсной плотностью мощности выше 4,1∙1011 Вт/м2 при всех типах конфигурации мишеней в спектре плазменного факела можно идентифицировать линии нейтральными и однократно ионизированными атомами титана, что указывает на превышение порога абляции титана и формирование частично ионизированного парогазового факела. Введение в конфигурацию мишени поглощающего (порошок графита) и ограничивающего (стеклянная пластина) слоев приводит к заметному снижению общей интенсивности свечения плазменного факела при сохранении характерных линий в его спектре, однако при этом величина твердости по Виккерсу поверхностного слоя титана увеличивается с 185 HV до 520 HV. Обсуждение. Показано, что конфигурация мишени существенно влияет на закономерности формирования плазменного факела и твердость поверхностного слоя титана в составе мишени. Выявленные закономерности могут указывать на реализацию смешанного механизма термомеханического (ударного) упрочнения титана, при котором реализуется эффективная конверсия энергии лазерного излучения, поглощенной слоем графита, находящимся под стеклянной пластиной, в нагрев и упрочнение титана, в большей степени чем в нагрев частиц графита, аблируемых в плазменном факеле. Результаты работы могут быть использованы для оптимизации режимов лазерной обработки титана с целью управляемого формирования поверхностей с улучшенными значениями твердости.

 

1. Shugaev M.V., He M., Levy Y., Mazzi A., Miotello A., Bulgakova N.M., Zhigilei L.V. Laser-induced thermal processes: heat transfer, generation of stresses, melting and solidification, vaporization, and phase explosion // Handbook of Laser Micro- and Nano-Engineering. 2020. P. 1–81. doi: 10.1007/978-3-319-69537-2_11-1

2. Drabczyk K., Sobik P., Kulesza-Matlak G., Jeremiasz O. Laser-induced backward transfer of light reflecting zinc patterns on glass for high performance photovoltaic modules // Materials. 2023. V. 16. N 24. P. 7538. doi: 10.3390/ma16247538

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License