Исследование крупномасштабного воздействия лазерного излучения на металлы и стекла

Содержание

Ко времени постановки настоящей работы (1970−1972 гг) подавляющее юльшинство исследований взаимодействия лазерного излучения с веществом фоводилось на сравнительно маломощных лазерах, энергия в импульсе у которых ю превышала, как правило, двух-трех сотен джоулей, что не позволяло исследовать 1вления лазерного воздействия при значительном размере лазерного пятна на феграде — порядка сантиметра или больше. Имевшиеся в крупнейших лаборатори-[х страны лазеры, способные давать в импульсе по несколько килоджоулей, позво-?или определить, что модельные эксперименты, выполняемые на фокальных 1ятнах диаметром в доли миллиметра, дают' результаты, иногда существенно яличающиеся от тех, которые получаются при воздействии лазерным пятном с тиаметром сантиметр и более. Размерная зависимость эффектов взаимодействия шзерного излучения с веществом, т. е. зависимость величины порога разрушения от 1иаметра лазерного пятна, — одна из наиболее надежно и давно установленных и, с 1ругой стороны, одна из наиболее универсальных — свидетельствует' о наличии [¡-акторов, понижающих пороговые величины тех или иных результатов взаимодей--твия лазерного излучения с веществом при возрастании диаметра пятна воздействия. Поэтому перенесение результатов, полученных на малых лазерных пятнах, на юздействие с применением больших пятен имело следствием неоправданное ¡-авышение ожидавшихся пороговых величин. В некоторых случаях это приводило < неудачным результатам крупномасштабных экспериментов — лучевая прочность оптических элементов большого размера оказывалась на практике существенно ниже той, которая закладывалась при расчетах, и эксперименты срывались.

Похожая ситуация оказалась и с зависимостью пороговых величин от длительности импульса. Результаты, получавшиеся на коротких импульсах, при экстраполяции на длинные импульсы оказывались плохо применимыми — далекими от реальных величин.

Интерес к результатам экспериментов на пятнах большого диаметра и большой длительности импульса (до 1 мс) был столь велик, что при отсутстви подходящих лазеров проводились модельные эксперименты, заключающиеся размещении тонкого слоя взрывчатого вещества на поверхности исследуемог материала или изделия и анализе последствий его взрыва.

Нами была поставлена задача определить пороги разрушения конструкцию^ ных и оптических материалов, а также выяснить характер* основных закономерно стей, которым они подчиняются, именно в условиях лазерного воздействия фокадь ным пятном значительного диаметра (порядка I сантиметра) и большой длительно сти импульса (около 1 мс). Специфичность задачи, решаемой в работе, потребовал специальных методических решений, в частности — разработки специальное источника лазерного излучения. Иго характерной особенностью должна был являться значительная излучаемая энергия, чтобы иметь возможность засвечиват площадь порядка 1 см" с плотностью, превосходящей порог разрушения большин стна материалов. Такой лазер был разработан A.M. Бонч-Бруевичем и И. С. Марша ком с участием автора. В его основу была положена предложенная A.M. Бонч Бруевичем конструкция «светового котла», заключающаяся в размещении значи тельного количества импульсных ламп накачки и активных генерирующих стержней в одном объеме с общим отражателем. Свет ламп накачки не направлялся i помощью отражателя на тот или иной лазерный стержень, а поглощался несколь кими, расположенными, но соседству, лазерными стержнями. Это позволил" избежать необходимости в большом количестве отражателей и повысить эффек тивность накачки, свет которой по большей части доходил до лазерных стержне! непосредственно, без отражений.

Лазер был сконструирован и изготовлен в ЦКБ «ЛУЧ» (Москва) в количеств" 3 экземпляров. Один из них был привезен в г. Сосновый Бор в 1968 г. и запущен i 1970 г.

Два года потребовались на разработку схемы питания и поджига. Особенно сти конструкции электропитания лазера ФЛ-4, введенные при разработке в ЦК! «Луч» — питание от источника напряжения 50 кВ, последовательное включение i импульсных ламп (всего их в осветителе 64 штуки), высоковольтный разряднш мало надежной конструкции в каждой цени, — в условиях физической лабораторш оказались неприемлемыми. Нами была разработана своя схема питания, с последо вательный включением 2 (а не 8) импульсных ламп, соединенных с конденсатора ми, заряжавшимися до ±5 кВ, с заземленной средней точкой. Эта схема оказалаа очень надежной, и лазер с таким пит анием проработал без переделок и серьезны- ремонтов 10 лет. Емкостной накопитель для его питания содержал 800 конденсате ров ИМ-5−140, максимальная запасенная в нем энергия была 1,4 МДж, а макси мальная энергия в лазерном пучке достигала 25 кДж (со всех 24 стержней), т. о КПД лазера был более 1,5%. Конструкция лазера ФЛ-4 и его работа подробш описаны в отчетах.

Боковые отражатели лазера, представлявшие собой плоские алюминиевьи экраны, со временем темнели, что приводило к снижению энергии лазера на 15 — 21% за 2 — 3 месяца эксплуатации. Поэтому такие отражатели были сначала заменень на посеребренные кварцевые пластины, а потом, из-за их дороговизны и неудобств- работы с ними, на специально разработанные керамические отражатели. Эт отражатели позволили несколько увеличить энергию лазера, а главное -улучшили стабильность его выходных характеристик, что позволило заменять отражатели не чаще раза в год. -

На первом этапе работы лазер ФЛ-4 был уникальным источником лазерного излучения большой мощности. При площади пятна до I см" он генерировал квазигладкий импульс длительностью по основанию 1,2 мс. по полуширине 0.6. мс, что позволяло получать плотность мощности в пятне более 10' Вт/см". Глубина модуляции в импульсе была не более 30% благодаря переналожению хаотического излучения всех 24 стержней. .,

Для проведения некоторых экспериментов, требующих хорошего пространственного распределения интенсивное&trade- в фокальном пятне при гарантированном отсутствии «горячих точек», был разработан специальный малоугловой рассеива-тель, позволивший получать фокальное пятно с регулярным распределением интенсивности.

Таким образом, описанный лазер позволял получать энергию в импульсе до 25 кДж, временная структура миллисекундного импульса была таковой, что импульс можно было считать квазигладким (глубина модуляции — не более 30%), пространственная структура фокального пятна представляла собой неплохое приближение к П-образному распределению, глубина модуляции в плоской части которого не превышала 30% без рассеивателя и 10% с применением рассеивателя.

Измерительный комплекс состоял из двух частей: приборов для диагностики лазерного излучения ФЛ-4 и приборов для диагностики процессов взаимодействия лазерного излучения с исследуемыми объектами. Обычно он включат в себя калориметр (использовалась головка от стандартного калориметра ИЭК-1, закрепленная у окна фотометрического шара диаметром 1 метр, в который и попадала часть излучения, отводимая для измерения), систему регистрации мгновенной мощности с применением коаксиального фотоэлемента ФЭК-1, систему регистрации момента начала разрушения, систему скоростной фоторегистрации процесса разрушения. Иногда измерительный комплекс дополнялся системами регистрации импульса отдачи и выноса массы, системой измерения параметров разлета продуктов разрушения, системой регистрации скорости движения границы испарения, спектрографом в сочетании со спектрохронографом для временной развертки получаемого спектра, эталоном яркости ЭВ-45, аэродинамической трубой, скоростными фоторегистраторами СФР и ФП-22 и другими системами.

Таким образом, основным методическим элементом настоящей работы служил лазер ФЛ-4, работавший в режиме свободной генерации. Как уже указывалось, из-за персналожения излучений отдельных стержней в фокальном пятне хаотический характер генерации оказывался сглаженным. Выбор режима свободной генерации объясняется стремлением получить максимальное энергетическое воздействие в условиях, приближенных к возможным крупномасштабным экспериментам.

2. Исследования эффекта экранирования излучения эрозионным лазерным факелом при большом диаметре пятна.

2.1 Экспериментальное определение порога экранирования при воздействии лазерным пятном большого диаметра |1,2)

В процессе взаимодействия лазерного излучения с веществом существеннук роль может играть поглощение в продуктах испарения материала преграды, перекрывая доступ излучения к облучаемой преграде. Эксперименты, проводившие" ранее при лазерном пятне малого диаметра (доли миллиметра), показывали, чте существенное поглощение в парах начинается при плотности мощности q= 10″ Вт/см2. Эти величины подтверждались существовавшими теоретическими воззрениями, в соответствии с которыми предполагалось, что существенный разогра паров может начаться только при наличии в них сильного поглощения излучения Большой интерес представляла экспериментальная проверка справедливости другой точки зрения (И.В.Немчинов с сотрудниками, Институт Физики Земли ЛЬ СССР), появившейся ко времени постановки данной работы и утверждавшей, чт<сильный разогрев паров лазерного факела может развиться даже при очень слабое начальном поглощении (модель "вспышки поглощения"). В рамках этой модел1 было показано, что в практически прозрачных парах металла при нагреве и> лазерным лучом возможно лавинообразное нарастание поглощения, связанное (очень резкой (экспоненциальной с большим показателем) зависимостью степеш ионизации от температуры, а порог возникновения экранирования не превышает 108 Вт/см2- с учетом же неравновесности паров — и 10 Вт/см*. Интерес к модел! «вспышки поглощения» связан, в частности, с тем, что она должна реализовать" именно в условиях крупномасштабных экспериментов, при больших расстояния? воздействия и, как следствие, болыпго размерах пятна.

Проведенные нами на лазере ФЛ 4 исследования экранирующих свойсп паров алюминия, стали и латуни прр диаметре воздействующего лазерной пятна 8 мм позволили установить, чт< полное экранирование преградь возникает уже при, а = 10' Вт/см", — заметное падение прозрачности факел- начинается при плотностях (0,2−0,3). 10 Вт/см". Прозрачность факел- определялась путем его просвечивани- излучением с рабочей длиной волны — = 1,06 мкм по двум направлениям вдоль оси силового лазерного луч через центр пятна воздействия (через специальное отверстие в мишени диаметром мм) и вдоль поверхности мишени на разных расстояниях от нее. Первый ти: просвечивания назывался продольным, второй — поперечным. При продольно?

Рис. 1. Пропускание факела при продольном (1) и поперечном (2) просвечивании просвечивании зондирующим служило само силовое излучение, а для по- - «перечного просвечивания использовалось излучение лазера ГОС-ЗОО. из которого формировался пучок диаметром (в области воздействия лазерного луча на мишень) 1−1,5 мм. Кроме этого, проводилось теневое фотографирование мишени и области вокруг нее «в профиль» (как при поперечном просвечивании) с использованием жидкостного неодимового лазера, дающего серию квазирегулярных импульсов с удовлетворительным распределением интенсивности по сечению пучка и с длительностью импульса около 10"8 секунды с преобразованием его излучения во 2-ю гармонику. Регистрировалось также угловое распределение вылетевшей из области воздействия капельной фазы. Эти измерения проводились, чтобы определить роль, которую играет поглощение лазерного излучения в парах металла на процесс разрушения этого металла.

Полученные результаты, фотографии и графики позволяют заключить, что при плотности мощности порядка К)7 Вт/см2 в узкой области перед мишенью возникает интенсивно поглощающее облако, вплотную прилегающее к мишени.

Аналогичные результаты были получены нами при воздействии на сталь и латунь. Через 100 — 200 мке после начала воздействия происходит полное поглощение излучения продуктами разрушения. Начало экранировки отмечается через 20 -40 мкс.

При воздействии на графит полного поглощения не наблюдалось, отмечалось поглощение 30%-50% падающего излучения.

Поскольку в эрозионном лазерном факеле, наряду с парами вещества, присутствует и капельная фракция, существенно было определить, что вносит основной вклад в поглощение света — пары пли капли расплавленного металла.

Общий вид экранирующего облака, параллелизм в результатах продольного и поперечного просвечивания (несмотря на существенно разное количество капель металла, летящих вдоль и поперек луча: поперек луча, т. е. вдоль поверхности мишени, летит основное количество капель расплавленного металла, на 3 порядка превосходящее то количество капель, которое летит вдоль луча), а также ряд контрольных опытов показали, что основной вклад в поглощение вносит паровая фаза. Вкратце этот вывод базируется на следующем:

1. Сравнение распределения капельной фазы по углу между оптической осью и направлением вылета с профилем поглощающего облака показывает, что капельная фаза не может объяснить форму экранирующего облака.

2. Измерения сигнала экранирования на алюминиевых фольгах различной толщины (от .0,2 до 0,01 мм) на графитовой подложке показывают независимость величины экранирования от толщины фольги, хотя ири толщине фольги 0,01 мм общее количество капель таково, что над отверстием для прохода зондирующего излучения диаметром 1 мм должно пролететь за все время импульса не более десятка капель (измерения показывают, что максимальный объем капли не превышает 0,001 мм'), что не может имитировать сигнал экранирования.

3. Эффект экранирования наблюдался и на графите, хотя и существенно более слабый. :

4. При увеличении плотности мощности на мишени роль поглощения света на каплях, как известно, уменьшается, что не объясняет ход нашей зависимости.

5. Наблюдения рассеяния света в факеле показывают, что в начале импульса рассеяние очень невелико, что свидетельствует о незначительном содержании капель металла в продуктах разлета. ¦

Полученный нами результат находится в хорошем. соответствии с описанной выше моделью вспышки поглощения. В работе сотрудников Института Физики Земли иод руководством И, В. Немчинова проведен расчет условий возникновения вспышки поглощения с использованием наших экспериментальных данных и показано, что результаты расчета и эксперимента хорошо: совпадают.

Более поздние работы подтвердили определяющую роль поглощения в парах металла в процессе развития экранирования при плотностях мощности около 10 Вт/см2. Более того, было показано, что наличие капельноц фазы является не альтернативой экранированию в парах, а, наоборот, поддерживающим фактором: наличие капельной фазы снижает порог появления плазмы, повышает ее плотность и увеличивает поглощение в плазме.

Описанный выше результат явился одним из первых экспериментальных свидетельств возникновения экранирования при плотностях мощности не выше 10 Вт/, см2 Получение этого результата было возможно благодаря проведению экспериментов на установке, обладающей достаточной мощностью и потому позволяющей осуществить воздействие при площади лазерного пятна порядка 1 см". При этом выполнялось условие с1 «Ъ, где <1-диаметр лунки, а 1 т — ее глубина (в нашем случае с≠ 8 — 15 мм, а Ь = 0,1 — 0,2 мм), благодаря чему в пространстве, непосредственно прилегающем к мишени, можно было говорить о выполнении условия плоского разлета. Смена геометрии разлета паров преграды (замена точечного разлета при малом пятне на плоский разлет на большом пятне) приводит к заметному изменению характеристик разлетающихся паров, в частности — их прозрачности. Интерес к этому результату связан с тем, что при постановке экспериментов не лабораторного класса («натурных», «полигонных» и т. д.) лазерное воздействие на мишень осуществляется с расстояний от сотен метров до сотен километров, что, естественно, приводит к неточечным размерам лазерного пятна, от сантиметров до десятков метров-.в диаметре. Описанные эксперименты являлись одной из первых реализованных моделей подобного крупномасштабного воздействия.

2.2 Разрушение преграды при лазерном воздействии в условиях развитого экранирования. |2, 5]

Так как формирование облака лазерной плазмы, экранирующего преграду от лазерного излучения, происходит в течение начапьной фазы импульса, не превышающей обычно 1/20 — 1/7 его части, то после окончания этой фазы доступ лазерного излучения к преграде практически прекращается, т. е. большая часть энергии лазерного импульса воздействует не на преграду, а на экранирующее облако. Поэтому представляло интерес выяснить, происходит ли в условиях развитого экранирования эрозия материала преграды. Характерные свойства обнаруженного в работах экранирующего облака эрозионной плазмы — большое поглощение, малая толщина и плотное прилегание к преграде — давали основание предполагать, что преграда может разрушаться тепловым излучением облака. Действительно, -значительная часть энепгии пазепного импульса поглощенной Лакелом. лолжна снова преобразовываться в излучение, так как потери энергии с выносимой массой при наших плотностях мощности невелики, как и потери на от ражение. В ряде работ приведены теоретические оценки мощности переизлучения факела, нз которых следует, что в условиях нашего эксперимента роль излучения факела в общем балансе энергии должна быть существенной.

Нами была поставлена работа по выяснению роли излучения факела в общем балансе энергии при разрушении алюминиевой преграды. Чтобы судить о плотности мощности излучения цпов. доходящего до поверхности преграды, мы воспользовались известным соотношением между qnoв и скоростью движения границы испарения V. справедливым при умеренных значениях ч. юДЮ"1 Вт/см" <10ч Вт/см2):

Чпоь= где р- плотность металла, кудельная теплота испарения, Г -удельная энергия продуктов разлета. Измерялась скорость движения границы испарения V на различных стадиях лазерного импульса. Измерения проводились на образцах, составленных из двух слоев алюминиевой фольги, разделенных слоем диэлектрика Рис. 2 Зависимость скорости движе- (тонкой бумаги). Прогорание каждого ния границы испарения от плотности сдоя сопровождмось гальваническим мощности излучения на преграде. замыканием цепи через плазму и фиксировалось на осциллограмме, что позволяло вычислить среднюю скорость V в пределах данного слоя. 'Характеристики лазерного импульса, использовавшегося в этой работе, описаны выше. Из измерений времени прогорания фольг различной толщины, из типичных значений скоростей движения границы испарения и на основании временных зависимостей пропускания факела была выбрана фольга толщиной 0,15 мм. В том диапазоне плотностей мощности, в котором мы работали (от 4 до 10 МВт/см2), первый слой прогорал, в основном, до начала развитого экранирования, а второй — в условиях развитого экранирования. При с), < 4 МВт/см2 второй слой вообще не прогорал до конца. Нами были’измерены и представлены в виде графиков средние скорости прогорания первого и второго слоя фольги в функции плотности мощности лазерного излучения на преграде. Вычисленные из наклона этих графиков величины удельной энергии разрушения алюминия, приведенные к величине плотности мощности в лазерном пучке, оказались равными е (= 10 кДж/г для первого слоя и е2 = 24 кДж/г для вт орого слоя (испаренная в первом слое масса при размере прогоревшего пятна 0,5 см" составляла около 20 мг-'размер прогоревшего пятна во втором слое мог быть и меньше: это соответственно учитывалось). Табличное значение теплоты сублимации алюминия равно 10,9 кДж/'г, а нагрев до плавления, теплота плавления и нагрев до кипения дают еще 2,5 кДж/г- гам" образом, суммарная энергия разрушения алюминия должна быть около 13,5 кДж/г Однако при измерениях удельная энергия разрушения обычно меньше даже теплоты сублимации, что в нашем случае связано со способом регистрации: факт прогорания слоя может фиксироваться до полного испарения всего материала в нагреваемом участке слоя.

Соотношение скоростей прогорания первого и второго слоев позволяет заключить, что после прогорания первого слоя плотность мощности на втором уменьшилась (в среднем за время прогорания) примерно в 2,5 раза. Так как пропускание факела, в соответствии с результатами, представленными в главе 1, составляет доли процента, следует заключить, что второй слой преграды испаряется только под действием излучения факела.

Проведенные в [5J оценки температуры факела и излучаемой им плотности мощности, необходимой для разрушения преграды, привели к величинам qno" = 4,5 МВт/см2 и Т = 30 000 К.

Если свойства приповерхностной области факела, вплотную прилегающей к преграде, далеки от свойств черного тела, температура ее должна быть еще выше. Расход энергии, необходимый для нагрева 20 мг алюминия до такой температ уры, может быть представлен в виде р = р + г, — + с «—иен^ион J-^нагр г где Еиш = mCj (Тп — Т0) + тСж (Тк -Тп) + т (Я + к) — энерг ия, необходимая для нагрева и испарения материала- FH0H =Ni («, +а2) — энергия первой и второй иониза-ций (при Т =30 000 К концентрация Л1111 значительна) — Ешгр = 5/2k (T|N]+T2N2+T3N.O — энергия нагрева ионного и электронного газов при различных степенях ионизации- m = 20 мг- N = 1,16−1020 -масса и число атомов испаренного металла- Ств = 0,90 Дж/г К и Сж = 0,94 Дж/г К — теплоемкости твердой и жидкой фаз- г=0,40 кДж/г и Д =10,9 кДж/г — теплоты плавления и испарения, TK0VIH = 293К, Т"л = 930 К и Ткип ~ 2348 К — температуры комнатная, плавления и кипения алюминия- Ti = 10 000 К, Т2 = 18 000 К, Тз = 30 000 К — температуры, до которых пар можно считать состоящим в основном из All, Alli и А1Ш соответственно- N: = 2N? и N3 = 3N, — количество частиц пара при однократной и двукратной ионизациях соответственно- Ui = 6 eV и U2 = 19 eV — потенциалы первой ц второй ионизации. Величина Е оказывается равной 1400 Дж.

Таким образом, чтобы рассматриваемый процесс разрушения второго слоя мог происходить, необходима температура приповерхностной области факела около 30 000 К, и энергия, поглощенная первым слоем металла к моменту разрушения второго, должна быть не меньше 1400 Дж. В наших работах экспериментальная оценка температуры приповерхностной области факела делалась по ее эмиссионному спектру, в частности по линиям АНН (дублеты 3601,62 А и 3612,35 А- 4512,54 А и 4529,18 А, 5696,47 А и 5722,65 А), и привела к величине 29 000 — 30 000 К. Энергия, излучаемая лазером за время разрушения двух слоев (180 — 300 мкс). достигает 1,5−2 кДж при общей энергии в импульсе около 10 кДж.

Таким образом, показано, что после возникновения развитого экранирования возможно разрушение преграды тепловым излучением плазменного облака.

Описанные здесь результаты позволили значительно дополнить существовавшую точку зрения на лазерную эрозию металлической преграды. Было экспериментально показано, во-первых, что плотности мощности 10 Вт/см" достаточно для возникновения эффективного экранирования преграды, во всяком случае — при значительном диаметре пятна. Во-вторых, несмотря на экранирование, эрозия преграды не прекращается, хотя скорость ее и уменьшается в несколько раз. Учет этих обстоятельств применительно к лазерному воздействию на металл позволяет правильно выбрать потоки и длительности воздействующего излучения для того, чтобы добиться желаемого результата воздействия.

3. Процессы, сопровождающие воздействие лазерного излучения на металлы в присутствии атмосферы.

3.1 Исследования роли окислительных процессов при лазерном воздействии на металлы в атмосфере. |19, 26, 8]

В связи с развитием с середины 70-х годов лазерной термохимии исследователи обратили внимание на возможную существенную роль атмосферы в процессе взаимодействия лазерного излучения с веществом. Если раньше атмосфера рассматривалась в основном как источник противодавления при расчетах газодинамических процессов либо при измерениях выноса массы или импульса отдачи, то с появлением лазерной термохимии было показано, что наличие в атмосфере сильного окислителя — кислорода — может приводить к принципиально новым процессам, ранее не учитывавшимся.

В этих работах также существенна зависимость результата от диаметра пятна, так как при значительном диаметре пятна можно пренебречь притоком окислителя с периферии нагреваемой области, в то время как при точечном нагреве такой приток будет основным.

Применительно к рассматриваемой задаче — воздействию лазерного излучения на металлы — наличие атмосферы может существенно повлиять на результат взаимодействия, если на рассматриваемой металлической поверхности возникнет под действием лазерного нагрева окисная пленка. Хорошо известно, что окисные пленки очень значительно меняют оптические свойства металлических поверхностей. Возникновение поглощающей окисной пленки на металле может радикально изменить результат последующего воздействия на этот металл. Из литературы также известен обратный эффект — уменьшение поглощательной способности металлической поверхности при воздействии на нее импульсом лазера. В связи с этим нами было предпринято исследование лазерного окисления конструкционных металлов, а также металлов, применяемых в качестве материала для зеркал. Были, разумеется, учтены эффекты изменения отражающих свойств металлов, не связанные с окислением. В частности, было показано, что при таких потоках, когда поглощением в парах можно пренебречь, существенную роль в балансе энергии может играть рассеяние света в факеле.

Отличительной чертой этой серии работ было применение современных методов исследования поверхности — рентгено-электроннои спектроскопии, дифракции высокоэнергетических электронов и локального рентгеновского анализа. Это позволило исследовать послойный состав и кристаллическую структуру образующихся окисных пленок. Существенной особенностью этой серии работ следует считать тог факт, что в результате их выполнения был найден способ эффективного лазерного воздействия даже на высокоотражающие металлические поверхности.

3.2 Особенности образования окисных пленок при лазерном воздействии на титан. [14,16,21 ]

Известно, что состав окисной пленки, растущей на металле под действием того или иного нагрева, неоднороден по толщине, — при приближении к границе окисла с металлом высшие окислы сменяются низшими. В ряде случаев описание свойств окисной пленки однослойной моделью позволяет верно описывать ее свойства. Вместе с тем, известны случаи, когда для описания оптических свойств пленки однослойная модель не годится.

Нами исследованыруктура истав окисной пленки, образующейся на титане при облучении его лазерными импульсами длительностью 10"3 различных энергий, что приводило к различному нагреву поверхности различных образцов. Были исследованы образцы, максимальная температура на поверхности которых, измеренная термопарой, ставляла 1240 °C и 790 °C.

С применением метода рентгеноэлектронной спектроскопии было показано, что состав окисной пленки, возникающей на поверхности титана при лазерном облучении, может быть аппроксимирован трехслойной моделью, причем соотношение толщин различных слоев, состоящих, в основном, из

1)ТЮ2,

2)смеси ТЮ2 и Ti20?,

3)ТЮ, не зависит от максимальной температуры, достигнутой в процессе облучения, хотя абсолютные толщины зависят существенно. Так, соотношение толщины слоя, Рис. 3: Распределение относительного содержания состоящего из смеси фаз в поверхностном слое окисленного титана. По высших окислов (Ti02 + оси абсцисс — время стравливания в мин. и толщина Ti20. i), и толщины — слоя стравленного слоя в ангстремах. низшего окисла (TiO) составляет 3:1. Полученные и — / результаты объясняют тот факт, что в ряде случаев при описании оптических свойств слоя окисла однослойная модель не годится. Оптические свойства экисной пленки на титане удовлетворительно описываются при использовании трехслойной модели. Наличие различных фаз в окисле необходимо учитывать и при расчете тепловыделения реакции окисления металла. Показано также, что при импульсном нагреве титана в атмосфере азота происходит образование нитрида гитана.

3.3 Лазерное окисление нержавеющей стали. Эффект избирательного окисления [15, 22,24,33]

Исследование состава и структуры окисных пленок на стали Х18Н10Т было проведено нами в связи с обнаружением нового эффекта изменения поглощатель-ной способности сплавов при нагреве их импульсным лазерным излучением на воздухе. Нами было показано, что этот эффект, трактовавшийся ранее в ряде работ как лазерная очистка поверхности образца от примесей и загрязнений, объясняется избирательным окислением компонентов сплава, имеющих наибольшее сродство к кислороду, в данном случае — хрома, и изменением оптических свойств поверхности в связи с изменением ее состава. Этот вывод был сделан на основании анализа рентгеноэлектронных спектров поверхности образцов нержавеющей стати, нагретой импульсом лазера до различных температур. Эти спектры позволили построить распределение по глубине различных компонентов сплава и окисной пленки, с пространственным разрешением по глубине в десятки ангстрем, что и позволило связать химические изменения поверхности с изменениями ее оптических свойств.

Эксперименты проводились на тщательно очищенных от загрязнений Рис. 4. Распреоеление относителъ- образцах ш стшш Х18Н10Т толщиной ного содержания фаз (а) в поверх- шо мкм^ которые облучались на воздухе постном слое нержавеющей стали импульсом свободной генерации неодима. различных расстояниях (фот мового лазера (г= 13 мс) Методика границы окисел-воздух при нагреве исследования облученных образцов лазерным импульсом до 700 С заключалась в измерении их поглощательной способности на длине волны А, = 10,6 мкм и анализе элементного состава образующихся окислов и приповерхностных слоев сплава методом рентгеноэлектронной спектроскопии.

Было показано, что при нагреве до температур 300 — 500 °C поглощательная гппеп^нпг п. пспжяврюшей стали оказывается ппимешю в 1.5 раза меньше исход

1 Г: е, 0, 1-е, 0, ^

0.8 V /

0.6

0.2 у Сг-,()Д Сг

10 1 -с/ 1 ю2 103 104 ' ной. При дальнейшем увеличении температуры величина поглощательной способности возрастает вследствие согласующего действия окисной пленки.

В работе представлено также распределение содержания отдельных фаз по глубине окисной пленки. Наружная поверхность окисла покрыта тонким (10−15 А) сйоем окиси железа РегОз, а основными составляющими окисной пленки являются окись-закись железа Ре304 и окись хрома Сг20з. Поверхность металла, непосредственно примыкающая к окисной пленке, оказывается обедненной хромом.

Оптические свойства окисной пленки на нержавеющей стали хорошо аппроксимируются однослойной моделью в предположении, что отраженная электромагнитная волна формируется в слое, в котором относительное содержание окисных фаз не превышает 10%, в силу чего он обладает металлическими, а не диэлектрическими свойствами.

Таким образом, наблюдаемое уменьшение поглощения при лазерном окислении связывается с обогащением поверхностного слоя высокоотражающим компонентом сплава, имеющим меньшее сродство к кислороду. Этот эффект известен как избирательное окисление.

Сравнивая результаты, представленные в этом и предыдущем параграфах, интересно заметить, что аппроксимация свойств окисного слоя однослойной моделью не годится для однокомпонентного материала — титана, но оказывается пригодной для многокомпонентного сплава — стали X18Н1 ОТ.

Обнаружение эффекта избирательного окисления позволило применить его к другим сплавам, в частности — к бронзам, что, в частном случае алюминиевой бронзы, позволило получить зеркало с механическими свойствами бронзы, оптическими свойствами отражающего слоя, характерными для чистой меди, и с тонкой защитной пленкой А1203 на поверхности.

3.4 Новый механизм образования окисных пленок — окисление испаренного металла в атмосфере с последующим естественным напылением его на поверхность, подвергнутую лазерному воздействию [30,31,32].

При исследовании образования окисных пленок на алюминии нами было обнаружено, что воздействие лазерным моноимпульсом на алюминиевую поверхность приводило к анома1ьно большой толщине окисной пленки в случае, если плотность мощности на поверхности превышала порог испарения. Исследования показали, что механизм образования такой окисной пленки оказывается не гетерогенным, как при допороговых плотностях энергии, а парофазным с конденсацией окисла на поверхности металла.

Опыты проводились с использованием лазеров на стекле с неодимом с длительностью импульсов 50 не и 1 мс. Регистрировались спектр и кинетика интенсивности свечения факела. Окисные пленки анализировались методом рентгеноэлек-тронной спектроскопии (профиль концентрации элементов по глубине) и методом дифракции электронов (кристаллическая структура). Наиболее подробно исследован дюралюминий Д16.

Имеется несколько существенных отличий получаемой при таком эежиме окисления пленки окисла от пленки, растущей при гетерогенном окислении.

Во-первых, окисная пленка на Д16 аморфна, в то время как при гетерогенном изотермическом окислении Д16 пленка окисла мелкокристаллическая, с характерным размером кристаллита около 100 А.

Во-вторых, эта пленка при толщине более 100 А сплошная (без пор), а ее состав близок к стехиометрической АЬОз. (Эти данные получены при анализе рентге-нюэлектронных спектров).

В-третьих, наблюдается резкое нарастание толщины окисной пленки после того, как плотность мощности ц начинает превышать порог испарения металла. Ни гакая зависимость толщины пленки от ц, ни абсолютная величина толщины получаемой пленки не могут быть объяснены окислением металла по гетерогенному механизму.

В воздухе образованию окисной пленки толщиной больше нескольких монослоев препятствует лимитирование скорости реакции диффузией кислорода в азоте воздуха. Поэтому в условиях гетерогенного окисления толщина пленки должна сильно зависеть от содержания кислорода в атмосфере. В условиях наших экспериментов оказалось, что толщины пленки при окислении в воздухе и кислороде близки. Причинами этого могут быть либо протекание реакции в атмосфере, а не на поверхности образца, либо большой энерговклад теплоты реакции, обеспечивающий поддержание высокой температуры в течение долгого времени, на несколько порядков превышающего длительность импульса.

Показано, что второе предположение в нашем случае не выполняется.

Наблюдаемое явление — образование окисной пленки большой толщины -находит свое естественное и непротиворечивое объяснение в следующей модели. Испаренный металл образует интенсивно окисляющееся облако паров вблизи образца. В результате атомных и молекулярных столкновений, а также благодаря взрывообразному характеру экзотермической реакции окисления в облаке испарен

Рис. 5. Изменение относительной концентрации алюминия, а с глубиной стравленного слоя с1 при напылении на алюминий слоя золота (кривая ]) и при окислении поверхности алюминия лазерным моноимпульсом (кривая 2). ного металла возникает обратный поток молекул на образец. Он может усиливаться благодаря уменьшению давления вблизи образца из-за выгорания кислорода в факеле и возникновения вследствие этого газодинамического потока на поверхность. Т^ким образом происходит самонапыление окисляющегося в паровой фазе металла.