ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МИЛЛИСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ НА МОРФОЛОГИЮ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЮ ЗОНЫ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЛЯ АМОРФНОГО СПЛАВА СИСТЕМЫ Zr-Cu-Ag-Al

С момента своего создания аморфные сплавы привлекают огромное внимание благодаря своим превосходным физико-химическим свойствам, к которым относится высокая прочность, низкий модуль упругости и устойчивость к коррозии. На данный момент существует несколько способов получения металлических стекол, однако размер полученных заготовок лимитирован. Поэтому для промышленного применения в качестве элементов конструкций необходимы технологии получения качественных сварных соединений, в частности с помощью лазерной сварки. Кроме того, лазерная обработка поверхности является перспективной технологией для повышения механических свойств аморфных сплавов. При этом в обоих случаях физика протекающих процессов не отличается, а их понимание необходимо для совершенствования технологий лазерной обработки, что, безусловно, является актуальной задачей.

В работе было исследовано влияние лазерного излучения на поверхность аморфного сплава Zr46(Cu4/5Ag1/5)46Al8. Образец подвергался воздействию единичного лазерного импульса миллисекундной длительности (3 мс) и энергией 3 Дж. Исследование выполнялось методами автоэмиссионной сканирующей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, а также было проведено численное моделирования температурных полей, вызванных лазерным излучением, в пакете COMSOL Multiphysics 5.2.

В центре кратера обнаружены нанокристаллы, встроенные в аморфную матрицу. Численным моделированием установлено, что скорость охлаждения, наблюдаемая в эксперименте, не должна приводить к кристаллизации. Причиной этому может быть атомарный кислород, обнаруженный в поверхностном слое. Также выявлено, что распределение кислорода вдоль радиуса кратера находится в обратной зависимости от скорости фронта кристаллизации вдоль того же направления. В работе сделано предположение, что контроль над условиями охлаждения и атмосферой позволяет получить заранее определенные кристаллические структуры на поверхности аморфных сплавов, что повысит их механические свойства.

1. Klement W., Willens R.H., Duwez P.O.L. Noncrystalline structure in solidified gold-silicon alloys // Nature. 1960. Vol. 187. № 4740. P. 869-870.

2. Chen H.S., Turnbull D. Formation, stability and structure of palladium-silicon based alloy glasses // Acta Metallurgica. 1969. Vol. 17. № 8. P. 1021-1031.

3. Inoue A. Stabilization of metallic supercooled liquid and bulk amorphous alloys // Acta materialia. 2000. Vol. 48. № 1. P. 279-306.

4. Hays C.C., Kim C.P., Johnson W.L. Large supercooled liquid region and phase separation in the Zr-Ti-Ni-Cu-Be bulk metallic glasses // Applied Physics Letters. 1999. Vol. 75. № 8. P. 1089-1091.

5. Williams E., Lavery N. Laser processing of bulk metallic glass: A review // Journal of Materials Processing Technology. 2017. Vol. 247. P. 73-91.

6. Chen B., Pang S., Han P., Li Y., Yavari A.R., Vaughan G., Zhang T. Improvement in mechanical properties of a Zr-based bulk metallic glass by laser surface treatment // Journal of Alloys and Compounds. 2010. Vol. 504. № Suppl. 1. P. S45-S47.

7. Wu G., Li R., Liu Z., Chen B., Li Y., Cai Y., Zhang T. Induced multiple heterogeneities and related plastic improvement by laser surface treatment in CuZr-based bulk metallic glass // Intermetallics. 2012. Vol. 24. P. 50-55.

8. Huang H., Jun N., Jiang M., Ryoko M., Yan J. Nanosecond pulsed laser irradiation induced hierarchical mi-cro/nanostructures on Zr-based metallic glass substrate // Materials and Design. 2016. Vol. 109. P. 153-161.

9. Lewandowski J.J., Greer A.L. Temperature rise at shear bands in metallic glasses // Nature materials. 2006. Vol. 5. № 1. P. 15.

10. Inoue A., Kimura H. High-strength aluminum alloys containing nanoquasicrystalline particles // Materials Science and Engineering A. 2000. Vol. 286. № 1. P. 1-10.

11. Gao M., Dong J., Huan Y., Wang Y.T., Wang W.-H. Macroscopic tensile plasticity by scalarizating stress distribution in bulk metallic glass // Scientific reports. 2016. Vol. 6. P. 21929.

12. Wang H.-S., Chiou M.-S., Chen H.-G., Jang J.S.-C. The effects of initial welding temperature and welding parameters on the crystallization behaviors of laser spot welded Zr-based bulk metallic glass // Materials Chemistry and Physics. 2011. Vol. 129. № 1-2. P. 547-552.

13. Zhang M., Yao D., Cao Z., Li P., Zhou P., Wang X. Influence of oxidation on the performance of Zr55Cu30Al10Ni5 BMG // Intermetallics. 2016. Vol. 79. P. 20-27.

14. Jiang Q.K., Wang X.D., Nie X.P., Zhang G.Q., Ma H., Fecht H.-J., Bendnarcik J., Franz H., Liu Y.G., Cao Q.P., Jiang J.Z. Zr-(Cu,Ag)-Al bulk metallic glasses // Acta Materialia. 2008. Vol. 56. № 8. P. 1785-1796.

15. Kurz W., Fisher D.J. Fundamentals of Solidification. 3rd ed. Aedermannsdorf: Trans Tech Publication, 1992. 305 p.

16. Inoue A. Recent progress of Zr-based bulk amorphous alloys // Science reports of the Research Institutes Tohoku University Series A-Physics. 1996. Vol. 42. № 1. P. 1-11.

17. Стеценко В.Ю. Влияние сорбции и десорбции водорода и кислорода на процессы модифицирования и кристаллизации сплавов // Литьё и металлургия. 2010. № 3. С. 91-96.

18. Zhang L.C., Xu J., Ma E. Mechanically alloyed amorphous Ti50 (Cu045Ni055)44-xAlx Si4B2 alloys with supercooled liquid region // Journal of materials research. 2002. Vol. 17. № 7. P. 1743-1749.

19. Черняева Т.П., Стукалов А.И., Грицина В.М. Поведение кислорода в цирконии // Вопросы атомной науки и техники. 2000. № 2. С. 71-85.

20. Zhang L.C. Crystallization Behavior and Control of Amorphous Alloys // Advances in Crystallization Processes. Croatia: InTech, 2012. P. 185-216.

21. Inoue A., Zhang T., Saida J., Matsushita M., Chen M.W., Sakurai T. Formation of icosahedral quasicrystalline phase in Zr-Al-Ni-Cu-M (M=Ag, Pd, Au or Pt) systems // Materials Transactions, JIM. 1999. Vol. 40. № 10. P. 1181-1184.