Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния условий формирования оксидных структур 9
1.1. Окисление металлов под влиянием термического воздействия 14
1.2 Термодинамические условия образования оксидов металлов 16
1.3 Структура, состав и свойства оксидов металлов [9
1.4 Исследования окисленной поверхности металлов 25
1.5 Особенности лазерного нагрева металлической поверхности 45
1.6 Теоретические основы лазерного окисления металлов 47
1.7 Структура материала в области лазерного воздействия 55
2 Оборудование, материалы и методика предварительных исследований 61
2.1 Оборудование 61
2.2 Выбор материалов для исследований 70
2.2.1 Оценка термодинамической возможности самопроизвольного протекания окислительных реакций компонентов сплавов 71
2.2.2 Характеристика материалов 79
2.3 Методика эксперимента 80
2.4 Анализ воздействия лазерных импульсов на металлическую поверхность при различных технологических режимах 81
3 Разработка методики формирования многоцветного изображения под воздействием лазерного излучения на различных материалах 92
3.1 Обоснование выбора теплофизических характеристик для создания физико-математической модели техпроцесса формирования цветового изображения на металлической поверхности при ее лазерном облучении 92
3.2 Разработка рабочей модели взаимосвязи технологических параметров лазерной установки и свойств металла с цветовыми характеристиками формируемых структур 99
3.3 Анализ условий прочности сцепления системы оксид-металл 104
4 Исследования поверхностных структурных и цветовых характеристик формируемых оксидных систем на поверхности металлов под воздействием импульсов лазерного излучения 109
4.1 Исследование микроструктур, химического и фазового составов сформированных оксидных структур 110
4.2 Исследование химических свойств, геометрических параметров и конфигурации оксидных структур с определенными цветовыми характеристиками 116
Выводы 139
Заключение 141
Библиографический список 143
Приложение 152
- Окисление металлов под влиянием термического воздействия
- Оценка термодинамической возможности самопроизвольного протекания окислительных реакций компонентов сплавов
- Обоснование выбора теплофизических характеристик для создания физико-математической модели техпроцесса формирования цветового изображения на металлической поверхности при ее лазерном облучении
- Исследование микроструктур, химического и фазового составов сформированных оксидных структур
Введение к работе
Оксидные пленки на поьерхности металлических изделий — явление широко известное, В сухой атмосфере многие металлы имеют на поверхности слой прозрачной оксидной пленки, которая самопроизвольно обновляется после механического воздействия, Эта естественно образованная оксидная пленка покрывает лею открытую поверхность металлического изделия и имеет некоторую химическую стойкость.
Защитный эффект естественной оксидной пленки можно многократно увеличить, если сформировать на поверхности металла искусственный оксидный слой. Таким образом, можно получить не только прозрачные защитные покрытия, по и широкий диапазон декоративных оттенков за счет эффекта интерференции оксидной пленки.
Оксиды некоторых металлов представляют собой один из наиболее интересных классов веществ с разнообразными и перспективными для практического применения свойствами. В соединениях с кислородом они образуют сложные системы фаз с переменной-валентностью, обладающие широким спектром различных свойств и специфическими оптическими свойствами- В частности, многие обладают различными колориметрическими характеристиками. Это явление основано на том, что, по последовательного наращивания оксидной пленки она принимает в спектральной шкале видимого так называемые «цвета тонких пленок».
Лазерная обработка металлической поверхности наносекундными импульсами умеренной интенсивности может приводить к. условиям, необходимым и достаточным для образования стабильных оксидных слоев с определенными колориметрическими свойствами на поверхности металла.
В этой связи, одним из важнейших направлений исследований процесса формирования и наращивания цветных оксидных структур, является изучение кинетики их образования и роста, а также изменения их свойств под воздействием высоко энергетичных потоков когерентного оптического (лазерного) излучения. Предыдущие исследования процессов, проходящих на поверхности металла под воздействием лазерного из лучения . показали,, что при различных видах облучения возможны сложные динамические процессы в системе окисная плепка-подложка (металл). На поверхности металлических изделий, находящейся в кон такте с химически активным газом (воздухом);.в процессе лазерного облучения могут происходить термохимические- превращения, которые не связаны с. монохроматичностью из лучения., т. е: обусловлены лазерным нагревом.
Методы исследования
В качестве методологической базы использовался системный подход, предполагающий комплексность исследований во взаимосвязи друг с другом. Экспериментальные исследования проводились с использованием физико-химических и физико-механических методов (рентгеноструктурпого качественного анализа, рентгеноспектрального микроанализа, цифрового оптического микроанализа и др.).
Обработка результатов проводилась с применением методов математической статистики на ЭВМ и с использованием стандартных программ. Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые разработан способ формирования многоцветных изображений под воздействием лазерного излучения с учетом тепло-физических характеристик обрабатываемого материала.
2. Впервые цроведеп теоретический анализ условий формирования ч цветных оксидных структур на поверхности металла в результате воздействия импульсного лазерного излучения,
3- Разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать технологические режимы дяя формирования возможной цветовой палитры для данного металлического материала и получать изображения.
.3. Разработаны рекомендации, по расчету режимов формирования оксидных структур с заданными цветовыми характеристиками для лазерных установок с длиной волны 1,064 мкм, с различной длительностью импульса. Практическая значимость работы.
1. Предложенная технология позволяет:
- формировать на поверхности металлических изделий изображениям заданными цветовыми характеристиками;
- проводить сравнительную оценку технологичности процесса формирования цветных изображений лазерно-термическим способом на различном лазерном оборудовании;
- рассчитывать технологические режимы лазерной установкою для формирования. на металлической поверхности многоцветных изображений с учетом теплофизических свойств обрабатываемого материала;
Разработаны рекомендации применения технологии для лазерных комплексов на базе твердотельных лазеров с длиной волны, 1,064 мкм как и непрерывных, так и импульсных, с различной длительностью импульса.
3. Полученные результаты могут найти применение в различных отраслях промышленности и декоративно-прикладного искусства для изменения- поверхностных цветовых свойств металлических материалов,
Достоверность результатов и обоснованность основных положений и выводов диссертационной работы обеспечивается тщательной обработкой «•обобщением большого объема экспериментальных данных по изучаемой проблеме. Реализация работы,
Диссертационное исследование выполнялось и рамках прикладных госбюджетных НИР кафедры Материаловедения и технологии материалов и покрытий ГОУВПО «СЗТУ» в рамках инновационного проекта «Решение проблемы получения полноцветного изображения термоимпульсным воздействием на поверхности металлических изделий»: Проект № 2.1.2/4150 «Исследование влияния лазерного излучения различной генерации на формирование в поверхностных слоях металла кластерных нано- и микроструктур оксидов металлов с различными цветовыми характеристиками» аналитической ведомственной целевой программы «Развитии научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», проект: «Формирование міжро- и напокласгерньтх оксидных систем с заданными цветовыми характеристиками с целью получения полицветного изображения полиграфического качества на металлической поверхности под воздействием импульсного лазерного излучения» государственного контракта № T15Z2 от 05.08. 2009 г. федеральной целевой программы «Научные и научио-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» и договоре о выполнении НИР на 2009-2011т.г. с ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» в рамках Государственного контракта от 15.06.2000г. № 02.740 J 1.0140.
Результаты работы используются в учебном процессе ГОУБПО СЗТУ:
- по специальности 261001.65 — Технология художественной обработки материалов при проведении лабораторных работ по дисциплине «Технология декоративных покрытий». Подготовлено пособие к лабораторным работам к опубликованию в составе учебно-методического комплекса (УМК);
- по специальности 150501.65 — Материаловедение в машиностроении при проведении практических занятий по дисциплине «Основы научных исследований»- В учебный план 4-го курса введена ноьая дисциплина по выбору «Обработка материалов лазерным излучением».
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на следующих семинарах и конференциях: Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы управления техническими, информационными, социально-экономическими и транспортными системами», СПб, 2007г.; Третьей международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматери-лов», Москва, 2009г.; Международной выставке-конгрес се Высокие технологии. Инновации, Инвестиции (Санкт-Петербург, 11-14 марта 2008 г., 22-25 сен тября 2008 гЛО-13 марта 2009 г,,10-12 марта, 2010 г,); Всемирной универсальной выставке IV Цивилизаиионного форума «Перспективы развития и стратегии партнерства цивилизаций», международном конкурсе инновационных про-ектов (Шанхай, 12-14 ноября 2010).
Работа была поддержана грантом Федерального агентства по образованию в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно -педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы».
Окисление металлов под влиянием термического воздействия
Термическое окисление железа, как наиболее используемого конструкционного материала, представляет несомненный теоретический и практический интерес. Хорошо известно, что железо и железные сплавы при нагревании покрываются тонкой пленкой оксидов железа самых разнообразных цветных оттенков -так называемых «цветов побежалости» [9-16].
Явление цветов побежалости основано на том, что на омываемой воздухом поверхности металла образуется просвечивающая пленка оксидов, которая по мере последовательного наращивания принимает в спектральной шкале видимого диапазона, так называемые, «цвета тонких пленок». Толщина плёнки зависит от степени нагрева стали - плёнки разной толщины по-разному отражают световые лучи, чем и обусловлены те или иные цвета побежалости. На легированных сталях те же цвета побежалости появляются при более высоких температурах. На цвета побежалости влияют также время выдержки стали при данной температуре, освещение и другие факторы [11-38].
Строгого совпадения во всех встречаемых данных (и в обозначении цветов, и в фиксировании температур) искать не приходится. Ведь качественная оценка цвета - дело чисто субъективное. Главное существенное влияние на цветовую характеристику оксидной пленки оказывает продолжительность нагрева, состав сплава и структура поверхности [12-23]. Значительно сказывается загрязненность поверхности металла, степень ее гладкости или шероховатости и т. п.
Появление интерференционных цветов оксидных пленок представляет собой не только интересное оптическое явление, но и являются своеобразным индикатором толщины пленок. В кислородной атмосфере при обычных температурах цветов побежалости не наблюдается, т.к. оксидная пленка становиться практически непроницаемой для молекул кислорода прежде, чем пленка вырастет до толщины, необходимой для появления интерференционных цветов.
Термодинамическая; возможность протекания процесса окисления может быть определена путем сопоставления упругости диссоциации оксида металла при данных условиях и парциального давления кислорода в газовой фазе[36,38-50]. Химическая реакция окисления металла будет находиться в равновесии, если упругость диссоциации оксида ( Рмсо ) и парциальное давление кислорода в газовой фазе (Р0) равны. Если Pfp Р(МеО?)ч то будет протекать реакция окисления металла, еслиже Р(мсо) Р{о2} то реакция протекает в обратном направлении, т. е. в сторону восстановления данного оксида до чистого металла и кислорода (таблица 1.3) [51-55].
Обычно кислород абсорбируется на поверхности металла с высоким тепловым эффектом, близким к тепловому эффекту образования оксида. Поэтому, абсорбцию кислорода можно рассматривать как химическое взаимодействие, приводящее к образованию зародышей новой фазы — оксида металла. Следовательно, абсорбция кислорода является начальной стадией окисления металла.
Образование оксида может происходить на поверхности металла, на поверхности или внутри оксидной пленки. Первый случай имеет место, если превалирует скорость диффузии кислорода, второй - если превалирует скорость диффузии ионов металла. В большинстве случаев скорости диффузии ионов (или атомов) кислорода и ионов металла соизмеримы (рисунок 1.5) [50-56].
Схема процесса химического окисления металла Одним из основных условий, определяющих способность образованного первичного слоя оксида тормозить дальнейшее окисление металла, является сплошность получаемой пленки. Если объем получаемого оксида V0K меньше объема металла FMc , то образуется несплошная пористая пленка, обладающая низкими защитными свойствами. Наоборот, если объём пленки больше объема окислившегося металла {V JV 1\ то можно ожидать образования сплошных пленок; обладающих способностью защищать металл от коррозии,
В зависимости от характера образующихся пленок возможны различные закономерности роста оксидных пленок. Для. металлов,, образующих несплошные пленки, скорость, роста пленки остается постоянной.во времени, следовательно, толщина пленки, или величина химической коррозии, пропорциональна времени окисления. Линейный-закон роста оксидных пленок наблюдается на щелочных и.щелочноземельных металлах, имеющих отношение (У УМ ) 1 (рисунок 1.6).
Для металлов,.у которых (Уьк/Уш) \, процесс коррозии будет тормозиться диффузией кислорода через сплошную пленку и все больше замедляться по мере ее роста: В данном случае окисление металлов протекает, по параболической кривой. Скорость Проста пленки предстапляет собой тангенс угла наклона касательной, проходящей через данную точку (рисунок 1.6):.
По параболическому закону наблюдается окисление для ряда технически важных металлов, таких, как- железо, кобальт, никель, медь, а также марганец бериллий, цирконии, титан.
Линейный ход кривых в полулогарифмических координатах доказывает существование логарифмической зависимости окисления. Наличие такого закона окисления у алюминия цинка, хрома, кремнпя, объясняют уплотнением внешних слоев пленки с увеличением ее толщины, в связи с чем, уменвшается скорость диффузии кислорода во времени,
Приведенные законы роста оксидных пленок справедливы для определенных условий. Ыа практике для одного л того же металла, в зависимости от температуры окисления, времени, состава атмосферы, могут иметь место все случаи окисления.
Оценка термодинамической возможности самопроизвольного протекания окислительных реакций компонентов сплавов
Анализируя данные, представленные на рисунках 2.9 и 2.10, отметим, что в закрытых системах при стандартных условиях в интервале температур от температуры плавления до температуры кипения элементов входящих в состав сталей, термодинамически более вероятны реакции, уравнения которых (I), (3), (7), (9), (13) и (14) (таблица 2.2). Для железа в интервале температур от Тпл до 2200 К термодинамически более вероятна реакция, уравнение которой (9), а при более высоких температурах вплоть до кипения - (11).
Иначе говоря, в рассмотренных условиях термодинамически более вероятно образование Сг2Оз? ТЮ2, смеси МпО и(Мп пМп 2Ш)04), V205, М0О2 и Si02. Однако следует отметить, что интервал «плавление-кипение» для V2O5 - это 960-2070 К, а для V02- это 1820-2270 К. При этом, для железа, при температурах, меньших 2200 К, термодинамически более вероятно образование (Fe " Fe V"V алриіїпльших - F.eO.
В интервале температур от плавления меди до 2230 К, реакция, уравнение которой (26), термодинамически более вероятна. При более высоких темпера турах должна самопроизвольно протекать обратная реакция, т.е. разложение оксида на простые вещества. Другими словами, это означает, что при взаимодействии с медью наиболее термодинамически вероятно образование оксида CusO а не СиО. Кроме того, даже если СиО и образуется, то при высоких температурах он превращается в оксид димеди, согласно уравнению реакции [4J: Си + СиО - Си20(прп 1000 t 1200С).
Из рисунков 211 видно, что в закрытых системах при стандартных условиях в интервале температур от плавления до кипения простых веществ, термодинамически более вероятны реакции, уравнения которых (22) и (24). Иначе говоря, в рассмотренных условиях термодинамически более вероятно образов пие АЬ03 и MgO.
Для определения относительного сродства к кислороду вышеописанных простых веществ нанесем температурные зависимости стандартных энергий Гиббсанаиболеетермодинамически вероятных реакций на один график.
На рисунке 2.І0 а) представлены температурные зависимости стандартных энергий Гиббса наиболее термодинамически вероятных реакций для элементов, входящих в состав сталей, а на рисунке 2Л0 б) для элементов цветных сплавов.
Проведя изотерму, отвечающую данной температуре, т.е. прямую, перпендикулярную горизонтальной оси, получим совокупность точек ее пересечения с температурными зависимостями стандартных энергий Гиббса. Чем ниже на этом графике будет расположена і очка, соответствующая данному простому веществу, тем больше будет его относительное «сродство к кислороду». Например, как показано на рисунке 2.10, при 2000 К относительное «сродство к кислороду» растет в ряду веществ Ni hT(i-?V Mn- Cr- Mo Si- Ti. Для компонентов цветных сплавов это Cu— Zn— Mg— AL
Таким образом, при лазерной обработке, например, стали 08Х18Ш0Т, следует ожидать появление оксидов в первую очередь ТІОЇІ далее СъОъ, далее Fe O-i и. наконец, NiO.
При этом следует отметить, что формирование перечисленных металлических фаз и карбидов металлов, входящих в состав сплава, образуют сложные оксиды с различными колориметрическими характеристиками. Причем стехиометрия оксидов зависит не только от состава исходного материала, но и от степени сродства элементов, входящих в сплав, к кислороду.
Так же оказывает влияние физико -термические свойства каждого отдельного элемента,, такие как теплопроводность и температуропроводность, которые определяют степень оплавления-и выгорания с поверхности, приводящее в свою очередь к изменению состава и стехиометрии формируемого оксидного слоя.
При обработке лазерным излучением металлических поверхностей-основные особенности химических реакции, активируемых поверхностным нагревом от этого воздействия, будут связаны.с тем; что они-протекают в условиях пере-ме і іноЙ температуры при ограниченной л р о дол жител Е.ЇЇОСТИ; воз де Й СТВИЯ і
Стали, кроме железа и углерода, могут содержать еще некоторое количестве легирующих элементов: хрома-(Сг); титана.(Ті);. марганца1 (Мп)7. никеля (Ni), ванадия (К}э.молибдена:(Л/о), кремния (5/) и некоторых.других..
Обоснование выбора теплофизических характеристик для создания физико-математической модели техпроцесса формирования цветового изображения на металлической поверхности при ее лазерном облучении
Результаты, полученные в предыдущей главе, показывают, что существует некая зона л изменения" технологических параметров лазерной установки, за пределами которой образование оксидных пленок с различными цветовыми характеристиками не происходит. Это обстоятельство вызвало необходимость определения эффективных, с точки зрения формирования оксидных структур, границ изменения технологических параметров лазерной установки.
В-общем случае температурно-временные условия обработки материала определяются его физическими свойствами и энергетическими характеристиками лазерного излучения, от которых зависят соотношения глубины проникновения излучения, толщины прогретого слоя и радиуса зоны облучения.
Как показано в предьгдущей главе, воздействие лазерного излучения на металлическую поверхность приводит к оплавлению последней. Размер отпечатка зависит от величины тока накачки диодной линейки.
Формирование оксидов металла происходит ь определенном температурном диапазоне At. Исходя из этого условия импульсную мощность можно определить из выражения (8) следующим образом:
Источник тепла можно считать поверхностным, если прогретый путем теплопроводности слой значительно больше глубины проникновения излучения [S5], Такая ситуация реализуется для металлов. Так же следует учитывать, что если толщина иршретого слоя существенно меньше радиуса зоны облучения, боковым теплоотводом в стороны от места воздействия излучения можно пренебречь, В обратной ситуации боковой тсплоотвод становится решающим.
Используя выражение (13) можно определить области эффективной мощности излучения для получения оксидных структур на различїшх материалах. Рассмотрим применение предложенной методики для расчета пороговых значений мощности для стали І2X17, учитывая следующие данные: - лня - температура, при которой формируемая структура становиться видимой. Ориентировочно, для получения оксидной пленки соломенного цвета tmm = 200 С [57,58]; - tmax - температура, до которой происходит нагрев образца в зоне облучения. В первом приближении принята температура, при которой диффузия кислорода в металл максимальна. Поскольку основным компонентом стали 08Х18Н10Т является железо, температура tmax составляет 900 С;
Таким образом, минимально требуемая и максимально допустимая мощности для формирования оксидных структур на металлической поверхности в зависимости от частоты следования импульсов, примут вид: Р = 3,29-10"3 F. Результаты расчетов пороговых мощностей по (14) представлены на рисунке 3.1 О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 S5 60 65 70 75 80 35 90 95 100 Частота следования импульсов, кГц
Анализ данных рисунка 3.1 показывает, что прецизионный лазерный маркирующий комплекс может использоваться для формирования структуриро ванного оксидного слоя, обладающего различными цветовыми характеристиками. Однако эффективный диапазон изменения мощности оказывается достаточно узким, особенно в области низких частот, что сокращает технологические возможности получения цветовых оттенков. Так же это касается насыщенности получаемых оттенков.
С учетом температурных условий были построены диаграммы мощности излучения для окисления отдельных компонентов. В Приложении приведены представленные графически (рисунки П5...П10) результаты расчетов диапазона эффективной мощности для разных материалов и отдельных элементов сплавов, а так же температурные условия образования оксидов этих металлов. На рисунке 3.2 представлена диаграмма области эффективной мощности излучения для стали 08Х18Н10Т с учетом термодинамических условий окисления компонентов.
Анализ этих диаграмм показал, что эффективный диапазон изменения мощности для каждого из компонентов является или самостоятельной областью (оксиды О, М) или накладываются (области 1 - совмещение мощностного диапазона для М и Fe и 2 — совмещение мощностного диапазона для Fe и 77). Формирование цветных оксидных структур на образцах из титана и аналогичных (по колориметрическим характеристикам) на сталях 12X17, 08Х18Н10Т позволяет предположить возможность избирательного воздействия на образование оксидных структур металлов, входящих в состав многокомпонентного материала.
Поскольку обработка металлической поверхности лазерным излучением осуществляется в результате последовательного импульсного воздействия лазера, то в этом случае расстояние между зонами термического воздействия определяется соотношением (9).
Следует отметить, что при определенном соотношении технологических параметров, входящих в формулу (9), отпечатки могут накладываться друг на друга, если х меньше диаметра отпечатка (рисунок 3.3 а)).
Исследования, проведенные с использованием прецизионного лазерно-маркировочного комплекса (ПЛМК) ДМарк-06 показали, что цветные образования формируются от воздействия зоны распространения тепла следующего импульса на участке материала, предварительно очищенного от естественной оксидной пленки оплавлением предыдущим импульсом (рисунок 3.3 б)) вдоль строки -пути следования импульсов.
Результаты анализа литературного обзора показали необходимость переосмысления механизма образования цветных структур на поверхности металла в результате воздействия лазерного излучения. Получение оксидных пленок, в классическом их понимании, как наращивание прозрачных пленок толщиной, необходимой для получения того или иного цвета, при лазерном импульсном воздействии фактически невозможно.
Это объясняется следующими причинами. Для получения оксидной пленки определенной толщины необходимо поддерживать температуру поверхности металла на определённом уровне температур в течение некоторого времени. Однако при лазерной обработке протекают два процесса одновременно: нагрев в течение наносекундного периода и охлаждение за счет основной массы металла, являющего собой полубесконеный холодильник по отношению к пятну обработки. Стабилизировать температуру при охлаждении на уровне, необходимом для образования оксидной пленки определенной толщины, в этих условиях не представляется возможным.
Наращивание оксидной пленки на поверхности металла вполне определенной толщины (от минимальной - прозрачной, до максимальной - не прозрачной) позволило бы получать цветовые оттенки в достаточно большом диапазоне. Однако, цветовая палитра, получаемая в результате обработки металлической поверхности лазерным излучением, весьма ограничена. Это ограничение определяется количеством компонентов, входящих в состав материала.
На титане ВТ 1-0, содержащем легирующие элементы кроме титана на уровне примесей, не превышающих 0,5%, удается получить цветные образования достаточно широкой гаммы синих, золотисто—желтых и коричневых оттенков (рисунок 3.4) с явным отсутствием зеленых и красных.
Равномерность толщины оксидного слоя и его структура в значительной степени зависят от условий термической обработки.
Стабильный оксидный слой образуется в таких оксидных структурах, в которых присутствуют интерметаллидные фазы и соединения. Основное значение при этом в окислительном процессе играет соотношение входящих в состав материала элементов. Скорости окисления так же зависят от фазовых превращений в основном металле и формируемых оксидных структур.
Исследование микроструктур, химического и фазового составов сформированных оксидных структур
С целью исследования микроструктуры цветных образований, возникающих на поверхности металла в результате воздействия лазерного излучения, была проведена серия экспериментов по изучению-влияния приложенной к поверхности образца мощности на изменение колориметрических характеристик обработанной поверхности.
Результаты эксперимента представлены на рисунке 4.1. Там же показаны структуры и цвет экспериментально сформированных на металлической поверхности структур (А-Р).
Так как количество импульсов характеризует приложенную энергию к единице площади поверхности, то, чем больше импульсов, тем больше она нагревается. Здесь можно отметить, что зависимость структуры и цвета поверхностных образований распадается на две ветви,
Одна ветвь характеризуется малым количеством.импульсов на единицу площади и формированием структур синих оттенков, другая — увеличением количества импульсов или прикладываемой, мощности и появлением структур зеленых и красных оттенков.
Согласно существующим представлениям о формировании оксидных структур [6] при статическом нагреве и учитывая данные, представленные в таблице 1.4, можно отметить, что системы .структур Л-К имеют толщину, соответствующую ІП-IV порядкам. Синяя гамма в этом диапазоне толщин отсутствует, поэтому при технологических режимах, соотиетствующих структуре О, синий и голубой цвета не наблюдаются, что и подтверждается экспериментально,
Пленки с толщинами, соответствующими I порядку имеют цветовую гамму, включающую-желтый, коричневый, фиолетовый, синий, серебристо-серый цвета, что- даегноуможноитн оценить- структуры фй/хГ, какшіенки іт порядка. Структура Р представляет собой оплавление поверхности лазерным излучением с возможным образованием окалины. Кроме этого, специфический цвет структур I,J,K предполагает наличие толщины П порядка в соответствии с таблицей 1.4.
На основании проведенного анализа можно отметить следующее. Для формирования прочных, хорошо сцепленных с подложкой оксидных слоев под воздействием лазерного излучения в импульсном режиме, последние должны иметь толщины, меньше критических, определяемых выражением (28).
Изменение толщины оксидных пленок, получаемых под воздействием лазерного излучения, при переходе от первого ко второму порядку происходит скачкообразно, тогда как дальнейшее увеличение толщины, дающее определенные колориметрические характеристики, происходит более плавно.
Количество импульсов Рисунок 4.1 - Цвет и структура оксидной пленки в зависимости от сочетания количества импульсов и скорости перемещения лазерного луча Исследование конфигурации структур на поверхности образцов из стали 08Х18Н10Т размером 10x10 мм проведено методом рентгеноструктурного анализа с использованием излучения Си Ка и рентгеновского аппарата структурного анализа типа ДРОН - ЗМ. Подбор необходимых щелей для получе ния оптимальной интенсивности рентгеновских лучей и подбор режима съемки каждого из исследованных образцов осуществлялся в процессе получения рентгенограмм. При этом, для удобства, номер каждого образца оксидной структуры соответствовал скорости следования импульсов при формировании этой структуры.
Сравнение характера рентгенограмм для различных образцов позволяет предположить, что появление линий оксидной фазы типа М3О4 может быть связано с появлением ферритной фазы в процессе лазерной обработки поверхности. Была определена величина соотношения интенсивностей линии (110) ферритной фазы и линии (200) аустенитной фазы для исследованных образцов, В процессе исследований было выявлено, что появление линии оксидной фазы на рентгенограммах установлено только при наличии ферритной фазы. Кроме того, отсутствие ферритной фазы на поверхности образцов 22 - 44 сопровождается отсутствием оксида на поверхности, что подтверждает необходимость фазовых превращений для образования оксидных слоев,
На основании сравнения фазового состояния поверхности исследованные образцов, можно считать, что основное отличие в фазовом составе поверхностных слоев исследованных образцов заключается в следующем: 1) с увеличением скорости перемещения луча лазера уменьшается толщина оксидного .слоя, например, д і образцов 18 и 20 окисел типа М 04 присутствует в виде следов фазы; 2) с уменьшением толщины оксидного слоя уменьшается количество феррита (а-фазы); 3) для образцов 22 - 44 установлена только аустенитная у -фаза.
Таким образом, чем выше скорость следования импульсов (больше расстояние на которое смещается по следующий импульс), тем. ниже температура, поддерживаемая в зоне обработки. Этой температуры оказывается недостаточно для выделения из у-фазы хрома и перехода ее в о фазу. необходимую для формирования оксидного слоя на обрабатываемой поверхности.
Следовательно, диапазон температур, необходимых для формирования оксидной структуры целесообразно выбирать исходя из интервала температур фазовых превращений, сопровождающихся выделением легирующих элементов из карбидов и раствора аустенита, окисления и выгорания отдельных легирующих илементов из сплавов на основе железа с целью получения на поверхности металла а-фазы.
Рентгенограммы образцов из стали 12X17 красного и синего, оттенков представлены в таблицах Ш-П2 Приложения. На рентгенограммах установлены следующие фазы: у -фаза; о фаза? ок-, сид типаМзСі Количественное соотношение фаз на этих рентгенограммах примерно соответствует соотношению фаз на рентгенограммах, полученных для исследованиях образцов с номерами 12 и 14 (таблица 4.1). Поэтому молено считать, что и для этих образцов появление оксидной пленки со структурой окисла типа М3О4 связано с присутствием ферритной фазы на поверхности исследованных образцов,
Рентгеноструктурное исследование поверхности образцов стали 08Х18Н10Т и. 12X17 после лазерной обработки пс различным режимам, обеспечивающим различные цветовые оттенки, позволило установить следующие закономерности структурных изменений поверхностного слоя: - с увеличением скорости смещения луча лазера (увеличения расстоя ния сдвига отпечатка следующего импульса) уменьшается толщина оксидно го,слоя например, для образцов 18 и 20 (таблица 4-2) окисел типа Мэ04 при сутствует и виде следов фазы, а для образцов с большими номерами оксид ный слой не установлен; - одновременно.с уменьшением толщины оксидного слоя уменьшается количество ферритной фазы (а-фазы); - для образцов 22 — 44 (таблица 4.2) установлена только аустениткая у -фаза; - появление оксидного слоя со структурой окисла типа М3О4 связано с присутствием ферритной фазы на поверхности исследованных образцов.
