Procesos superficiales inducidos por irradiación láser de CO<SUB>2</SUB> sobre láminas hierro-carbono

Abstract

En este trabajo se han estudiado varios de los diferentes procesos que tienen lugar durante el calentamiento y la fusión de superficies de aceros al carbono producidos por irradiación con luz infrarroja coherente. En particular, se han analizado: la importancia relativa de las variaciones de las propiedades térmicas yópticas con la temperatura (calor específico a presión constante, conductividad térmica y emisividad), los procesos que se producen en la superficie y en el interior del metal (conducción, convección, radiación del calor y dependencia de la tensión superficial del líquido con la temperatura) y el efecto de las condiciones de procesamiento (velocidad entre el haz y la muestra, posición relativa del foco a la superficie irradiada). Para entender la importancia relativa que cada una de las variables físicas tiene en los fenómenos inducidos por la irradiación, utilizando el método de diferencias finitas, se ha desarrollado un modelo numérico bidimensional del proceso de calentamiento y fusión superficial de metales. Esto ha permitido destacar como parámetro significativo para la profundidad y composición de la capa exterior formada, el tiempo en que el material de la muestra permanece a temperaturas superiores a la de fusión. En cambio, la convección no influye mayormente en nuestro caso sobre la profundidad de la pileta de fusión. Una vez conocidas las características del haz y habiendo diseñado una estrategia para el barrido superficial que permitiera lograr condiciones uniformes en toda la superficie, se procedió a caracterizar la superficie de aceros irradiados con diferentes condiciones de procesamiento y a estudiar su resistencia a la corrosión en atmósferas contaminadas con SO2. Las muestras se produjeron por irradiaciones pulsadas y continuas con barrido de superficie de aceros al carbono con un láser de potencia de 10,6 μm de longitud de onda. Las técnicas de caracterización utilizadas han sido la espectroscopía M¨ossbauer de electrones de conversión (CEMS), la metalografíaóptica y la miscroscopía confocal. Se pudo concluir que los haces continuos de 630 W con baja velocidad de barrido (14 mm/s) producen recubrimientos superficiales que resisten mejor los ataques corrosivos producidos por ciclados acelerados en atmósferas de tipo industrial.

This work is a study of the different processes that occur because of the heating and fusion of carbon steel surfaces irradiated with infrared coherent light. In particular, we have assessed the relative importance of the thermal induced changes of the optical and mechanical properties (specific heat at constant pressure, thermal conductivity and emissivity), and of processes produced at the surface and in the bulk of the metal (conduction, convection, heat radiation, and thermal dependence of the liquid surface tension). In addition, we have analyzed also the effect of the processing conditions (sweeping beam speed, relative position of the beam focus to the irradiated surface). To understand better the relative importance that each one of the physical variables has on the irradiation-induced phenomena, using the finite differences method, we have developed a bidimensional numeric model for the metal surface heating and fusion. This has allowed establishing the time at which the sample material remains at temperatures higher than that of fusion as the chief parameter that governs the depth and composition of the formed outer layer. Instead, the convection is not a factor that can influence significantly the fusion pool depth. Once the beam features were known, after designing a surface sweeping strategy that allowed uniform and repetitive conditions across the sample surface, we carried on with the characterization of the surface of irradiated with different processing conditions, and studied the corrosion resistance in SO2 polluted atmospheres. The carbon steel samples studied were swept with pulsed and continuous beams of a power laser of 10.6 μm wavelength. The characterizing techniques used were Conversion-electron M¨ossbauer spectroscopy (CEMS), metallography, and confocal microscopy. We concluded that continuous beams of 630 W at low sweeping speeds (14 mm/s) bring forth protective layers that stand better the corrosive conditions produced by accelerated cycles in industrial type atmospheres.