Введение к работе
Актуальность темы. Изучение процессов воздействия " гигантских" концентрированных световых потоков на твердые мишени, в частности, на металлы, в разнообразных средах их окружающих, интенсивно проводятся, практически, с момента появления мощных лазеров, но, тем не менее, в настоящее время, актуальность подобных исследований не теряет своей значимости в связи с тем, что и сейчас, в этой области исследований, обнаруживаются все новые принципиальные результаты, способствующие бурному развитию лазерной техники и, соответственно, лазерной технологии обработки материалов.
Одним из проявлений активной роли среды в процессах взаимодействия лазерного излучения с твердыми мишенями , явилось сообщение Асмуса и Бейкера (1969), в котором впервые указывалось на роль окислительной реакции в механизме взаимодействия непрерывного излучения СОт - лазеров с металлами, на основе обнаруженных экспериментальных фактов увеличения темпа нагрева металлических мишеней в воздухе, по сравнению с вакуумом или нейтральной атмосферой.
К моменту начала нашего цикла исследований (1974) было известно, что резкое увеличение скорости нагрева металлов обусловлено поглощением молекулярного излучения с длиной волны 10, 6 мкм в окисных пленках, растущих при лазерном нагреве в воздухе на поверхности металлов .
Необходимость изучения этих процессов была очевидной. Во-первых, имелась новизна фундаментальных задач исследований состоящая в том, что процесс физического теплового воздействия на мишени, стимулирует явления химического характера ( окислительные реакции ), которые , в свою очередь, играют роль положительной обратной связи т.е. за счет поглощения излучения в растущих окисных слоях, активно влияют на сам процесс воздействия лазерного излучения на металлы ; во-вторых, имело важное прикладное значение - перспектива появления интенсивной лазерной технологии обработки металлов.
Изучение кинетики изменения поглощательной способности слоистой системы « металле о кисел» не проводилось, хотя такие исследования ,как оказалось в дальнейшем, были необходимы как для понимания механизмов взаимодействия лазерного излучения с металлами в динамике роста на их поверхности окисных пленок так и для оценки путей повышения эффективности энерговклада лазерного излучения в металлические мишени в химически активных средах.
Одним из интересных проявлений активной роли среды в динамике взаимодействия интенсивного когерентного излучения с веществом,
являются процессы лазерного воспламенения и горения металлов в окислительной атмосфере, когда экзотермичность реакции окисления может играть существенную роль в общем энергетическом балансе взаимодействия лазерного излучения с металличекими мишенями, специфика проявления которой, до появления наших работ, являлась, практически, неизученной.
Энергетические режимы воздействия лазерного излучения могут существенно видоизменить сам характер физических явлений в окисляющихся металлах. Особенно интересные явления могут проявиться в гетерогенных процессах в окружающих мишень многокомпонентных средах и эффективное решение вопросов управления ими, имело важное значение для лазерной технологии обработки материалов.
Исследования процессов воздействия мощного когерентного излучения на металлы в химически активных газовых средах показали, что особенности кинетики лазерного их нагрева связаны с оптическими свойствами продуктов высокотемпературного синтеза на поверхностях мишеней и поэтому возникает вопрос : возможны ли специфические термохимические механизмы протекания поверхностных явлений при воздействии лазерного излучения на металлы под слоем жидкостей, способствующих активному их влиянию на лазерный нагрев металлов?
Поиск новых активных сред далеко не тривиальная проблема, так как попытки адекватно найти ответ на вышезаданный вопрос, исходя только из физической модели взаимодействия интенсивного лазерного излучения с мишенями с известными теплофизическими характеристиками в данной среде, невозможно без полного представления об специфических особенностях протекаемых при этом физико-химических явлений.
Таким образом, исследования процессов лазерного нагрева, воспламенения и горения металлов в химически активных средах имели большую актуальность и внесли определенный вклад в формирование и развитие новой области физики взаимодействия интенсивного излучения с веществом - лазерной термохимии.
Цель работы. Исследование общих закономерностей развития гетерогенных процессов и поиск способов управления ими при взаимодействии мощного лазерного излучения с металлами в газовых и жидких средах , в которое входило :
- изучение специфики проявления термохимических процессов нагрева, воспламенения и горения металлов в газовых и жидких средах при воздействии лазеров различных длин волн и режимов работы , что явилось бы восполнением нехватки экспериментальных данных ( по литературе) по уяснению и полному пониманию физических механизмов закономерностей протекания поверхностных явлений ;
- выявление активной роли и влияния сред на характер темпа
ввода лазерной энергии в мишень, обусловленными оптическими
свойствами конечных продуктов высокотемпературного синтеза на их
поверхности.
Выбор сред определялся по степени их химической активности, что состояло:
- в возможном проявлении специфичности процессов лазерного
окисления и горения металлов в многокомпонентных газовых средах ;
- в возможной стимуляции развития гетерогенных процессов , способствующих к эффективному вводу лазерной энергии в мишень в жидких средах ;
Общая программа научных исследований включала в себя следующие виды конкретных работ:
изучение гетерогенных процессов при " квазистационарном" режиме лазерного нагрева металлов;
изучение специфики развития низкопорогового пробоя газов вблизи мишеней при импульсно-периодическом ( ИП ) режиме облучения;
- исследования влияния плазмы низкопорогового пробоя воздуха и
окис-лительных реакций на эффективную поглощательную способность
металлов при ИП режиме воздействия ;
исследование процессов высокотемпературного синтеза поверхностных соединений при лазерном воспламенении тугоплавких металлов в воздухе;
- исследование процессов лазерного травления тугоплавких
металлов в воздухе ;
- исследование процессов лазерного нагрева, воспламенения и
горения тугоплавких металлов в жидких средах в непрерывном и ИП
режимах облучения.
Научная новизна. Основу настоящей диссертации составляют результаты экспериментальных работ автора по изучению особенностей физических процессов ,стимулированных мощными когерентными световыми потоками на границах " металл + газ" и " металл + жидкость". При этом выявлены новые физические закономерности развития гетерогенных процессов на поверхностях мишеней, определяющее активное влияние окружающей среды на механизм взаимодействия мощного лазерного излучения с металлами в газовых и жидких атмосферах. В частности :
- показано, что при «квазистационарном» окислении, из-за низкой теплопроводности окислов, сильный локальный перегрев их поверхности до температур выше температуры плавления металла, возникновение расплава и его профиля развития в зоне облучения, приводит к сквозному окислению мишени;
обнаружено, что имеется пороговое значение частоты следования лазерных импульсов, начиная с которого развитие затравочной электронной лавины облегчается наличием паров металла над поверхностью мишени, что приводит к эффекту смещения границы низкопорогового пробоя газов по лазерному лучу;
обнаружено, что возникновение плазмы на поверхности нагретого металла в условиях образования смеси испаренного материала мишени и воздуха приводит к снижению пороговой импульсной интенсивности светового потока для ее образования;
- показано, что пространственные колебания размеров зоны
нитридообразования на цирконии в воздухе, связаны с конкуренцией
роста нитрида и окисла в неоднородном температурном поле на
поверхности мишени в области воздействия лазерного излучения;
- обнаружено, что эффективность лазерного нагрева металлов в
подводных условиях обусловлена интенсивной «генерацией» кислорода в
парогазовой области зоны облучения мишени, из-за термической
диссоциации молекул воды при непосредственной реакции кислорода с
поверхностью мишени;
обнаружено, что воздействие водяной струи, сносящей парогазовые пузыри с зоны облучения мишени в водной среде, повышает на 2-3 порядка эффективность нагрева металла из-за уменьшения рефракции лазерного излучения и выноса расплава , ограничивающего доступ водяных паров к поверхности мишени.
На защиту выносятся следующие основные положения
-
Новые закономерности протекания гетерогенных процессов, стимулированных обострением температурного профиля в зоне облучения мишеней при "квазистационарном" режиме нагрева , приводящие к сквозному окислению металлов непрерывным лазерным излучением в воздухе;
-
Новые закономерности развития процессов низкопорогового пробоя газов вблизи поверхностей мишеней, обусловленных спецификой образования оптического разряда в смеси воздуха и паров металла при ИП лазерном воздействии;
3. Физическая модель влияния плазмы пробоя воздуха в ИП режиме
на температурную зависимость эффективной поглощательной
способности слоистой системы «металл+окисел» и снижение пороговой
интенсивности поджигания оптического разряда над зоной лазерного
облучения при повышении температуры мишени;
4. Результаты и закономерности высокотемпературного лазерного
синтеза
нитридных соединений на поверхностях тугоплавких металлов в воздухе;
5. Физическая картина нестационарных процессов диффузионного
горения металлов в неоднородном температурном поле лазерного
излучения ;
6. Новые закономерности влияния поверхностных парогазовых
областей на скорость лазерного нагрева металлов в жидких средах ;
7.Ускорение нагрева металлов при воздействии водяной струи на парогазовую область в зоне лазерного облучения .
Полученные результаты и установленные закономерности, кратко отраженные в изложенных выше положениях позволяют говорить о решении крупной научной проблемы , связанной с раскрытием физико-химических механизмов «квазистационарного» нагрева, формирования и исчезновения парогазовых областей в гетерогенных средах, влияющих на эффективность окисления, воспламенения и горения металлов при воздействии непрерывным и импульсно-периодическим лазерным излучением и определяющих параметры лазерного контроля и управления кинетикой и динамикой термохимических поверхностных процессов.
Практическая ценность. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы:
для определения физических условий эффективного использования лазеров в термообработке металлов в газовых средах;
в разработке способов интенсивной лазерной обработки металлов в подводных условиях, сравнимых с лазерным их нагревом в воздухе;
- для оптимального выбора сред при создании экономически
выгодных лазерных технологий высокотемпературного синтеза
поверхностных соединений металлов с заданными физико-химическими
свойствами.
Апробации работы. Результаты настоящей работы докладывались на научных семинарах ФИАН СССР, ИОФАН РАН, ОТФ АН РУз, научно-практических конференциях КГУ им. Бердаха; VII -ой Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике, Ташкент, 1974 ; III и IV Всесоюзных совещаниях по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом, Ленинград, 1974 и 1978 г.г. ; Всесоюзном совещании по высокотемпературным физико-химическим процессам на границе " газ - твердое тело", Звенигород, 1984 ; VII и VII Всесоюзных конференциях по взаимодействию оптического излучения с веществом, Ленинград, 1988 и 1990 гг.
Личный вклад автора. Постановка задачи и проведение экспериментальных исследований выполнены лично автором. Теоретические разработки ряда экспериментальных результатов осуществлены в творческом содружестве с коллегами из ИОФ РАН.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем диссертации 276 страниц, включая 87 рисунков и 172 наименований цитируемой литературы.
