phmathВестник Государственного университета просвещения. Серия: Физика-МатематикаBulletin of Federal State University of Education. Series: Physics and Mathematics2949-50832949-5067Federal State University of Education10.18384/2949-5067-2023-3-43-56phmath-591Research ArticleФИЗИКАPHYSICSФизический механизм селективного лазерного воздействия короткоимпульсного лазерного излучения на микропоры в непрозрачном материалеPhysical mechanism of selective exposure of short-pulse laser radiation on micropores in opaque materialhttps://orcid.org/0000-0003-0124-8668УшаковИ. В.UshakovI.

Иван Владимирович Ушаков, доктор технических наук, профессор

кафедра физики

19049

Ленинский пр-т, д. 4, стр. 1

Москва

Ivan V. Ushakov, Dr. Sci. (Engineering), Prof.

Department of Physics

119049

Leninskiy Prospekt 4 build. 1

Moscow

ushakoviv@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7144-4376СафроновИ. С.SafronovI.

Иван Сергеевич Сафронов, кандидат физико-математических наук, доцент

кафедра физики

19049

Ленинский пр-т, д. 4, стр. 1

Москва

Ivan S. Safronov, PhD (Phys.-Math.), Assoc. Prof.

Department of Physics

119049

Leninskiy Prospekt 4 build. 1

Moscow

Issafronov@yandex.ruУниверситет науки и технологий МИСИСРоссияUniversity of Science and Technology MISISRussian Federation202313112023034356Copyright © Ушаков И.В., Сафронов И.С., 20242024Ушаков И.В., Сафронов И.С.Ushakov I., Safronov I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.physmathmgou.ru/jour/article/view/591   Цель

   Цель. Исследование физического механизма селективного воздействия лазерного излучения на систему микропор в поверхностном слое непрозрачного материала с высокой теплопроводностью.

   Процедура и методы

   Процедура и методы. Теоретическое исследование специфики прогрева поверхности материала с системой микропор, с использованием нелинейного дифференциального уравнения теплопроводности методом конечных элементов.

   Результаты

   Результаты. Предложен физический механизм селективного воздействия короткоимпульсного лазерного излучения на микропоры в непрозрачном материале. Установлено, что в условиях импульсного прогрева материала специфика распространения изотерм существенно зависит от конфигурации системы микропор. Для верхней микропоры реализуется ускоренный прогрев материала над микропорой и запаздывание прогрева под микропорой. Специфическая картина прогрева материала, дополненная воздействием ударной волны, будет стимулировать движение материала в направлении микропоры и её частичное/полное залечивание.

   Теоретическая и/или практическая значимость. Полученные результаты расширяют представления о физике селективного лазерного залечивания микропор.

   Aim

   Aim. Investigation of the physical mechanism of the selective effect of laser radiation on the micropore system in the surface layer of an opaque material with high thermal conductivity.

   Methodology

   Methodology. Theoretical study of the specifics of heating the surface for a material with a system of micropores using a nonlinear differential equation of thermal conductivity by the finite element method.

   Results

   Results. A physical mechanism for the selective effect of short-pulse laser radiation on micropores in an opaque material is proposed. It is established that under conditions of impulsed laser heating of the material, the specificity of the propagation of isotherms significantly depends on the configuration of the micropore system. For the upper micropore is realized speeded heating of the material above the micropore and slowed heating under the micropore. The specific heating pattern of the material, supplemented by the impact of the shock wave, will stimulate the movement of the material in the direction of the micropore and its partial/complete healing.

   Research implications

   Research implications. The results obtained expand the understanding of the physics of selective laser healing of micropores.

физика селективного лазерного воздействиямикропорытвёрдые материалыфизика конденсированного состоянияфизический механизм залечиванияphysics of selective laser affectingmicroporessolid materialsphysics of condensed matterphysical mechanism of healingReferencesGorbunov A. V. Dendritic melting in modulated laser beam // Europhysics Letters. 1993. Vol. 24. No. 9. P. 773–778. DOI: 10.1209/0295-5075/24/9/013.Gorbunov A. V. Dendritic melting in modulated laser beam. In: Europhysics Letters, 1993, vol. 24, no. 9, pp. 773–778. DOI: 10.1209/0295-5075/24/9/013.Симонов Ю. В., Ушаков И. В. Механические свойства поверхностных структур титанового сплава ВТ9 после многократной локальной обработки наносекундными лазерными импульсами // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. 2020. № 2. С. 19–35. DOI: 10.18384/2310-7251-2020-2-19-35.Simonov Yu. V., Ushakov I. V. [Mechanical properties of surface structures of titanium alloy vt9 after repeated local processing with nanosecond laser pulses]. In: Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo oblastnogo universiteta. Seriya: Fizika-Matematika [Bulletin of the Moscow Region State University. Series: Physics and Mathematics], 2020, no. 2, pp. 19–35. DOI: 10.18384/2310-7251-2020-2-19-35.Мирзоев Ф. Х., Панченко В. Я., Шелепин Л. А. Лазерное управление процессами в твердом теле // Успехи физических наук. 1996. Т. 166. № 1. С. 3–23. DOI: 10.3367/ufnr.0166.199601a.0003.Mirzoev F. Kh., Panchenko V. Ya., Shelepin L. A. [Laser control of processes in solids]. In: Uspekhi fizicheskikh nauk [Physics-Uspekhi (Advances in Physical Sciences)], 1996, vol. 166, no. 1, pp. 3–23. DOI: 10.3367/ufnr.0166.199601a.0003.Лазерная сварка новых аустенитных криогенных коррозионностойких сталей, легированных азотом / Капуткина Л. М., Смарыгина И. В., Киндоп В. Э., Капуткин Д. Е. // Чёрные металлы. 2021. № 7. С. 56–62. DOI: 10.17580/chm.2021.07.05.Kaputkina L. M., Smarygina I. V., Kindop V. E., Kaputkin D. Ye. [Laser welding of new austenitic cryogenic corrosion-resistant steels alloyed with nitrogen]. In: Chornyye metally [Chernye Metally. Stahl und Eisen], 2021, no. 7, pp. 56–62. DOI: 10.17580/chm.2021.07.05.Шинкин В. Н. Предварительная правка стальной полосы // Чёрные металлы. 2018. № 5. С. 34–40.Shinkin V. N. [Preliminary straightening of steel strip]. In: Chornyye metally [Chernye Metally. Stahl und Eisen], 2018, no. 5, pp. 34–40.Ushakov I. V., Safronov I. S. Directed changing properties of amorphous and nanostructured metal al-loys with help of nanosecond laser impulses // CIS Iron and Steel Review. 2021. Vol. 22. P. 77–81. DOI: 10.17580/cisisr.2021.02.14Ushakov I. V., Safronov I. S. Directed changing properties of amorphous and nanostructured metal al-loys with help of nanosecond laser impulses. In: CIS Iron and Steel Review, 2021, vol. 22, pp. 77–81. DOI: 10.17580/cisisr.2021.02.14.Safronov I. S., Ushakov A. I. Targeted alternation in properties of solid amorphous-nanocrystalline material in exposing to nanosecond laser radiation // Defect and Diffusion Forum. 2021. Vol. 410. P. 469–474. DOI: 10.4028/www.scientific.net/DDF.410.469.Safronov I. S., Ushakov A. I. Targeted alternation in properties of solid amorphous-nanocrystalline material in exposing to nanosecond laser radiation. In: Defect and Diffusion Forum, 2021, vol. 410, pp. 469–474. DOI: 10.4028/www.scientific.net/DDF.410.469.Идентификация и счет эритроцитов нативной донорской крови человека методом цифровой оптической микроскопии с использованием спектрально фильтрованного освещения / Дубровский В. А., Забенков И. В., Карпочева Е. П., Торбин С. О. // Оптика и спектроскопия. 2021. Т. 129. № 3. С. 327–341. DOI: 10.21883/OS.2021.03.50660.208-20.Dubrovsky V. A., Zabenkov I. V., Karpocheva E. P., Torbin S. O. [Identification and counting of natural donor blood erythrocytes of human by digital optical microscopy method using spectrally filtered illumination]. In: Optika i spektroskopiya [Optics and Spectroscopy], 2021, vol. 129, no. 3, pp. 327–341. DOI: 10.21883/OS.2021.03.50660.208-20.Spectroscopy in the gas phase with GaAs/AlGaAs quantum-cascade lasers / Hvozdara L., Gianordoli S., Strasser G., Schrenk W., Unterrainer K., Gornik E., Murthy C. S. S., Kraft M., Pustogow V., Mizaikoff B., Inberg A., Croitoru N. // Applied Optics. 2000. Vol. 39. Iss. 36. Р. 6926–6930. DOI: 10.1364/AO.39.006926.Hvozdara L., Gianordoli S., Strasser G., Schrenk W., Unterrainer K., Gornik E., Murthy C. S. S., Kraft M., Pustogow V., Mizaikoff B., Inberg A., Croitoru N. Spectroscopy in the gas phase with GaAs/AlGaAs quantum-cascade lasers. In: Applied Optics, 2000, vol. 39, iss. 36, pp. 6926–6930. DOI: 10.1364/AO.39.006926.Selective Laser Melting of Aluminum and Its Alloys / Wang Z., Ummethala R., Singh N., Tang S., Suryanarayana C., Eckert J., Prashanth K. G. // Materials. 2020. Vol. 13. Iss. 20. P. 4564. DOI: 10.3390/ma13204564.Wang Z., Ummethala R., Singh N., Tang S., Suryanarayana C., Eckert J., Prashanth K. G. Selective Laser Melting of Aluminum and Its Alloys. In: Materials, 2020, vol. 13, iss. 20, pp. 4564. DOI: 10.3390/ma13204564.Densification, Microstructure, and Mechanical Properties of Additively Manufactured 2124 Al-Cu Alloy by Selective Laser Melting / Deng J., Chen C., Zhang W., Li Y., Li R., Zhou K. // Materials. 2020. Vol. 13. Iss. 19. P. 4423. DOI: 10.3390/ma13194423.Deng J., Chen C., Zhang W., Li Y., Li R., Zhou K. Densification, Microstructure, and Mechanical Properties of Additively Manufactured 2124 Al-Cu Alloy by Selective Laser Melting. In: Materials, 2020, vol. 13, iss. 19, pp. 4423. DOI: 10.3390/ma13194423.Kaputkin D. E., Duradji V. N., Kaputkina N. A. Plasma electrolytic processing of bimetals at the anodic process // Letters on Materials. 2021. Vol. 11. P. 433–437. DOI: 10.22226/2410-3535-2021-4-433-437.Kaputkin D. E., Duradji V. N., Kaputkina N. A. Plasma electrolytic processing of bimetals at the anodic process. In: Letters on Materials, 2021, vol. 11, pp. 433–437. DOI: 10.22226/2410-3535-2021-4-433-437.Laser powder-bed fusion additive manufacturing: Physics of complex melt flow and formation mechanisms of pores, spatter, and denudation zones / Khairallah S. A., Anderson A. T., Rubenchik A., King W. E. // Acta Materialia. 2016. Vol. 108 (16). P. 36–45. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.02.014.Khairallah S. A., Anderson A. T., Rubenchik A., King W. E. Laser powder-bed fusion additive manufacturing: Physics of complex melt flow and formation mechanisms of pores, spatter, and denudation zones. In: Acta Materialia, 2016, vol. 108 (16), pp. 36–45. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.02.014.Prashanth K. G., Scudino S. Quasicrystallyne composites by additive manufacturing // Key Engineering Materials. 2019. Vol. 818. P. 72–76. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.818.72.Prashanth K. G., Scudino S. Quasicrystallyne composites by additive manufacturing. In: Key Engineering Materials, 2019, vol. 818, pp. 72–76. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.818.72.Шинкин В. Н. Механика сплошных сред для металлургов. М.: МИСиС, 2014. 628 с.Shinkin V. N. Mekhanika sploshnykh sred dlya metallurgov [Mechanics of continuous media for metallurgists]. Moscow, MISiS Publ., 2014. 628 p.Лазерная абляция: физические представления и приложения (обзор) / Иногамов Н. А., Петров Ю. В., Хохлов В. А., Жаховский В. В. // Теплофизика высоких температур. 2020. Т. 58. № 4. С. 689–706. DOI: 10.31857/S0040364420040043.Inogamov N. A., Petrov Yu. V., Khokhlov V. A., Zhakhovsky V. V. [Laser ablation: physical concepts and applications (review)]. In: Teplofizika vysokikh temperatur [High Temperature], 2020, vol. 58, no. 4, pp. 689–706. DOI: 10.31857/S0040364420040043.Генерация ударных волн и образование кратеров в твердом веществе при кратковременном воздействии лазерного импульса / Гуськов С.Ю., Бородзюк С., Калал М., Касперчик А., Краликова Б., Кроуски Е., Лимпоух И., Машек К., Писарчик Т., Писарчикe П., Пфейфер М., Рохлена К., Скала Й., Уллшмид Й. // Квантовая электроника. 2004. Т. 34. № 11. С. 989–1003. DOI: 10.1070/QE2004v034n11ABEH002695.Guskov S. Yu., Borodzyuk S., Kalal M., Kasperchik A., Kralikova B., Krouski E., Limpoukh I., Mashek K. , Pisarczyk T., Pisarczyk P., Pfeiffer M., Rohlena K., Skala J., Ullschmid J. [Generation of shock waves and formation of craters in a solid material irradiated by a short laser pulse]. In: Kvantovaya elektronika [Quantum Electronics], 2004, vol. 34, no 11, pp. 989–1003. DOI: 10.1070/QE2004v034n11ABEH002695.Simulation of Deformation Behavior and Microstructure Evolution during Hot Forging of TC11 Titanium Alloy / Alimov A., Zabelyan D., Burlakov I., Korotkov I., Gladkov Y. // Defect and Diffusion Forum. 2018. Vol. 385. P. 449–454. DOI: 10.4028/www.scientific.net/DDF.385.449.Alimov A., Zabelyan D., Burlakov I., Korotkov I., Gladkov Y. Simulation of Deformation Behavior and Microstructure Evolution during Hot Forging of TC11 Titanium Alloy. In: Defect and Diffusion Forum, 2018, vol. 385, pp. 449–454. DOI: 10.4028/www.scientific.net/DDF.385.449.Ильин А.А. Колачёв Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. М.: ВИЛС – МАТИ, 2009. 520 с.Ilyin A. A. Kolachev B. A., Polkin I. S. Titanovyye splavy. Sostav, struktura, svoystva. Spravochnik [Titanium alloys. Composition, structure, properties. Directory]. Moscow, VILS – MATI Publ., 2009. 520 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.