Лазерная обработка тонких металлических пленок для задач полиграфического машиностроения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

ос российская академия наук

сг.

ШСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ им. A.A. БАЙКОВА

На правах рукописи УДК 621.373

ПОКРОВСКИЙ Станислав Георгиевич

ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ДЛЯ ЗАДАЧ ПОЛИГРАФИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

Специальность 01.04.08 - физика и химия плазмы

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998 г.

Работа выполнена в Институте металлургии им. А.А.Байкова РАН

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Углов А.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Селищев C.B. кандидат физико-математических наук Фаинибо А.К.

Ведущая организахщя: Раменское проектно-конструкторское бюро.

Защита состоится M ¿СЯ 1998 г. на заседании специализи-

рованного совета Д 003.15.02 по защите диссертаций при Институте металлурги им. А.А.Байкова РАН по адресу:

117419 ГСП-1, Москва, Ленинский пр-т, 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института металлургии им. А. А. Байкова РАН.

Автореферат разослан " ¿2 -х. ¡998 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

кандидат технических наук v___ГРИГОРОВИЧ К.

Институт металлургии им. А.А.Байкова РАН, 1998.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы исследования. Лазерные и плазменные методы обработки материалов относятся к числу самых быстро развивающихся технологий. Эти технологии обеспечивают высокую точность, возможность автоматизации технологических процессов, позволяют исключить загрязнение окружающей среды, значительно снизить потребление вредных, дорогостоящих или остродефицитных материалов. Лазерные и плазменные технологии активно внедряются в самые различные области индустрии. В частности, они показали свою высокую эффективность при решении задач полиграфического машиностроения.

В полиграфическом машиностроении в 90-х годах возрос интерес к прямой лазерной гравировке печатных форм излучением твердотельных лазеров . видимого и ближнего ИК диапазонов. Разрешающая способность этого технологического процесса может приближаться к дифракционному пределу на длине волны около 1 мкм. Возникает возможность исключить из цикла допечатной обработки дорогостоящий и экологически небезопасный фотографический процесс.

Применение плазменных технологий создания износостойких покрытий специальным образом профилированной(т.н. растрированной) поверхности валов для флексографской печати, лазерная гравировка профиля - растра, - являются ключевыми технологическими новшествами, обеспечивающими технический прогресс и быстрое расширение во второй половине 80-х - в 90-х годах сферы применения этого динамично развивающегося способа печати.

Лазерная гравировка и последующее ионно-плазменное напыление износостойкого покрытия позволили перейти к новому качеству при производстве форм глубокой печати для маркировки проводов в кабельной промышленности.

Быстрое развитие лазерных методов обработки материалов для задач полиграфического машиностроения, таких как лазерная гравировка растровых валов, лазерная гравировка форм глубокой печати, лазерная маркировка и нумерация пленочных полиграфических материалов, создание и быстрое совершенствование автоматов для прямой лазерной гравировки офсетных печатных форм, поиск и апробация различных вариантов новых материалов для производства печатных форм (т.н. формных материалов), делают актуальным изучение физических про-

цессов вблизи обрабатываемых поверхностей, взаимодействш возникающих газо-плазменной и аэрозольных сред с падающим интен сивным лазерным излучением.

Не менее актуальным оказывается изучение физических процсссо! в самих формных материалах при лазерной обработке.

Применение вакуумной ионно-плазменной обработки специфичес ких технических объектов, таких как флексографские растровые валы, ( целью создания износостойких покрытий сделало актуальным исследо вание физико-химических и теплофизических процессов, приводящих I износу этих покрытий при эксплуатации.

Цель работы заключалась в исследовании:

1) пороговых условий возникновения оптического пробоя при взаимодействии лазерного излучения с длиной волны 1.06 мкм с плазмой; ударными волнами и аэрозольной средой, которые формируются пря мощном лазерном воздействии на материалы;

2) повреждения прозрачных диэлектрических подложек пр> лазерном удалении напыленных металлических пленок и влиянш повреждения подложки на результат лазерной обработки пленок;

3) износа синтезированных в вакуумном ионно-плазменном процесс« тонких функциональных ТШ-пленок на растровых валах.

Основными задачами работы были:

- создание установки и методики для измерения зависимости порог; оптического пробоя воздуха на твердых аэрозольных частица; микронных размеров от размера одиночных частиц;

- разработка теневой установки и зондовой методики да исследования формирования оптического пробоя на ударных волнах разрешающая процессы в объеме до 1 мм3 и во времени - 10"М0"7с;

- исследование и построение физической модели механизма сниже ния порога оптического пробоя воздуха на ударной волне(УВ), со зданной очагом оптического пробоя в предшествовавшем лазерном им пульсе;

1. экспериментальное исследование порогов, морфологии повреждени: прозрачных диэлектрических подложек при лазерном разрушающе: облучении поглощающих покрытий и влияния повреждения подложк на результат лазерной обработю

еталлизированных лавсановых пленок в процессе прямого получения }>сетных печатных форм;

- получение практической методики оценки вероятного результата азерной гравировки офсетных печатных форм для анализа ерспективы применения новых формных материалов и лазерных сточников;

-экспериментальное исследование и построение модели механизмов гзноса тонких покрытий из нитрида титана на поверхности с крупной, ю сравнению с толщиной покрытия, шероховатостью(профилем растро-;ых ячеек), применение лазерной обработки для моделирования процес-ов, приводящих к ускорению износа ТШ-покрытий. 1аучная новизна.

- Впервые по единой методике и в одинаковых экспериментальных 'словиях для широкого спектра размеров твердых аэрозольных частиц 13 одного материала получена зависимость порога оптического пробоя >т диаметра одиночных частиц в наносекундных импульсах на длине юлны 1.06 мкм.

- Исследовано явление снижения порога оптического пробоя юздуха на фронте ударной волны, распространяющейся от очага пробоя I предыдущем лазерном импульсе. Экспериментально определен масштаб возможного снижения порога оптического пробоя воздуха на шине волны 1.06 мкм - до К)2 раз, получены зависимости порога гатического пробоя от скорости УВ, предложена физическая модель механизма снижения порога оптического пробоя воздуха на УВ для диапазона скоростей 1-10 Мах.

-Измерены пороговые плотности энергии удаления металлического юкрытия при лазерной обработке металлизированных лавсановых пленок с тзлщиной покрытия 0.1-0.35 мкм, которые являются новыми материалами щя изготовления офсетных печатных форм.

-Предложена схема численной оценки ожидаемых результатов лазерной >бработки формных материалов на основе металлизированных лавсановых [зорм, учитывающая тешюотдачу в полимерную подложку и пиролиз материала подложки, приводящий к удалению материала металлической тленки давлением продуктов пиролиза. Определен коэффициент геплопередачи из металлической пленки в лавсановую подложку, )беспсчнвающий соответствие расчетной ширины зоны удаления покрытия жепериментальным результатам.

-Показано, что качество кромки линии лазерной гравировки металлических пленок на лавсане определяется возможностью удаления пленки в твердой фазе продуктами пиролиза подложки.

- На лавсановой подложке и металлической пленке обнаружено формирование квазипериодических структур, которое объяснено разрушением лавсана под воздействием давления продуктов пиролиза.

- Выявлена важная роль температурной вспышки и высокотемпературного оксидирования в кислородсодержащей атмосфере в ускорении износа упрочняющих пленок нитрида титана. Экспериментально I установлено, что температурная вспышка способствует ускоренному переходу к режиму катастрофического износа истончившегося износостойкого покрытия на подложках из мягких металлов. Защищаемые положения.

-Полученная в работе зависимость пороговой интенсивности оптического пробоя воздуха на твердых аэрозольных частицах в диапазоне размеров 1-40 мкм в импульсах длительностью 15 не на длине волны 1.06 мкм;

-Зависимость порога оптического воздуха от скорости ударной волны в диапазоне 1-10 М в излучении л=1.06 мкм, т=15 не.

-Физическая модель механизма снижения порога оптического пробоя на фронте УВ.

-Методика численной оценки размеров зоны лазерной гравировки перспективных материалов офсетных печатных форм на основе металлизированных лавсановых пленок, учитывающая теплоотвод в полимерную подложку, пиролиз лавсана и тангенциальный к поверхности тепло- и массоперенос при смещении охлаждающихся слоев лавсана.

-Результаты исследования ускорения износа упрочняющих пленок нитрида титана на профилированных поверхностях растровых полиграфических валов по механизмам термомеханического растрескивания нитридной пленки и отслоения фрагментов, окисленных в зоне локального нагрева при трении на точечных контактных площадках трущихся тел. Применение полученных результатов к практическим задачам упрочнения поверхности растровых валов, лазерной гравировки и упрочнения форм глубокой печати.

Грактическая ценность.

Измеренная зависимость порога оптического пробоя воздуха от размера □розольных частиц может быть использована при анализе прохождения лощного лазерного излучения через атмосферу или в технологических трименениях излучения лазера с длиной волны 1.06 мкм при обработке материалов с образованием аэрозоля микронных размеров: таких как эбрабогка композитов, керамики, материалов с тонкопленочными покрытиями. Закономерности снижения порога оптического пробоя воздуха яа ударной волне могут использоваться при анализе технологий обработки материалов непрерывным или импульсным лазерным излучением с частотой следования импульсов порядка 1 МГц в условиях возникновения микровзрывов в приповерхностном слое обрабатываемого материала при лазерном нагреве.

Процессы лазерной гравировки металлизированных лавсановых пленок апробированы на лазерном формном автомате ФАЛ "Крона", разработанном Лабораторией лазерных систем АО "НИИПолиграфмаш". Начато производство модели ФАЛ "Гранат-530".

Полученные в работе коэффициенты теплопередачи из металлической пленки в лавсановую подложку и методика расчета могут использоваться для оценки возможности применения новых перспективных формных, материалов и для анализа результата гравировки при изменении технических данных лазерного источника и фокусирующей системы.

Рекомендации, данные по результатам исследования износа растровых поверхностей с покрытием из нитрида титана, использованы при выборе многослойных упрочняющих покрытий на растровых валах(анилаксах), изготавливаемых предприятием "Флексо" (бывший Отдал печати на таре и упаковке АО "НИИПолиграфмаш").

Исследование окисления пленок нитрида титана в окрестности зоны локального нагрева явилось основой разработки технологического цикла изготовления форм глубокой печати из стали У8 с износостойким нитридным покрытием методом лазерной гравировки. Формы используются в печатных модулях машин, разработанных НИИ кабельной промышленности.

Апробация работы.

Материал, изложенный в диссертационной работе, ранее апробирован на следующих конференциях:

1) IV Всесоюзное совещание по распространению лазерного ихтучения в дисперсной среде. Барнаул, 1988.

2) Всесоюзная конференция "Физика и применение твердотельных лазеров". Москва, ИОФАН, 16-17 апреля 1990 г.

3) Международная конференция "Лазеры-90". Сан-Диего, США, декабрь 1990 г.

4) Международная конференция "Физика и технология плазмы", Минск, сент. 1994 г.

5) Конференция "Покрытия, упрочнение, очистка. Экологически безопасные технологии и оборудование", Москва, ВИМИ, 18-21 апреля 1995 г.

6) IV Всероссийская конференция по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. Томск, 13-17 мая 1996 г.

7) IV Международное совещание-семинар "Инженерно-физические проблемы новой техники". Москва, 21-23 мая 1996 г., Центр прикладной физики МГТУ им. Баумана.

8) Симпозиум "Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии", Москва, 12-14 ноября 1996 г.

9) IV Межгосударственный семинар "Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий МНТ-ГУ", Обнинск, 1719 июня 1997 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 научных работ, отражающих основные положения диссертации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Во введении и главе 1 рассмотрено современное состояние вопроса и сформулированы задачи исследования. В главах 2,3 и 4 приведены результаты экспериментальных исследований и сформулированы вытекающие из них физические модели изучаемых эффектов. Приведены расчеты и оценки по экспериментам и моделям. Диссертация выполнена на 169 машинописных листах, включая 42 рисунка, 29 фотографий, 11 таблиц, библиографию из 115 литературных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной заботы, формулируются цель, задачи исследования, положения, которые зыносятся на защиту.

В первой главе приводится обзор состояния вопроса. Глава разбита на параграфы, являющиеся развернутыми введениями к материалу юследующих глав 2,3 и 4.

Во второй главе приводятся результаты исследования снижения порога оптического пробоя воздуха на аэрозольных частицах и на ударной волне в излучении ИАГ:Ш3+-лазера(Я=1.06 мкм; ти=15 не). I Установка для измерения порога пробоя на одиночных аэрозольных ¡частицах включала в себя электроимпульсный генератор аэрозоля, подбрасывавший частицы порошка в область фокуса лазерного излучения. Взаимодействие лазерного излучения с конгломератами частиц малого диаметра (<5 мкм), исключалось времяпролетной сепарацией частиц. Лазерный импульс включался с регулируемой задержкой относительно импульса подбрасывания порошка. Задержки подбирались по результатам видеоконтроля так, чтобы относительно более тяжелые конгломераты частиц не успевали долетать до области фокусировки

излучения.

В эксперименте для создания аэрозоля использовались калиброванные абразивные порошки электрокорунда А^Оз.

Табл. 1 Распределение частиц порошков корунда по размерам,

Марка порошка Диапазон размеров, мкм

63- 50- 40- 28- 20- 14- 10- 7- 5- з_ 2- 1- 0.5

50 40 28 го 14 10 7 5 3 2 1 0.5 0.3

М 40 2 9 49 34 6

М 28 2 17 51 26 4

М 20 3 14 51 29 3

М 14 з 11 49 31 6

М 10 4 12 48 33 3

М 7 5 18 43 32 3

М5 5 16 45 34

МЗ 20 50 26 4

М 2 11 59 23 2

М1 16 62 19 3

Порог оптического пробоя определялся как среднее между макск мальной интенсивностью излучения, при которой пробой еще н наблюдался, и минимальной интенсивностью, при которой со 100%-но вероятностью наблюдался пробой на одиночных частицах. Измерен! также пороги пробоя на конгломератах частиц. Показано, что попадали в область фокуса конгломератов частиц малого диаметра може существенно искажать наблюдаемый ход кривой зависимости порог пробоя от размера.

120 100 80 60 40 20 О

1 10 100

Рис.1. Зависимость порога пробоя воздуха (Р=744 торр) от размер; аэрозольных частиц (/.=1.06 мкм; ти=15 не).

Кривая аппроксимируется функцией /(¿/) = /(¿/0 ) • [г/] = мкм

Исследование снижения порога оптического пробоя воздуха ш ударной волне, распространяющейся из области пробоя в предыдущему лазерном импульсе(в дальнейшем - первичного пробоя), выполнялось н; теневой устаковке(Рис.2).

Излучение 1-го лазера создает область первичного оптического про боя воздуха, расширение которой после окончания импульса возбуждас ударную волну(УВ). В направлении, перпендикулярном направленик распространения излучения 1-го лазера, на зону распространения У1 фокусируется импульсное излучение 2-го лазера. Часть пучка с по мощью светоделительных пластин 5 направляется на калориметричес кий измеритель энергии импульса и для подсветки теневой схемы. Кри сталл КОР преобразует излучение во 2-ю гармонику с длиной волнь 0.53 мкм. Светофильтр 1 отсекает излучение с Х- 1.06 мкм. Телескопи ческая система 2 расширяет пучок излучения подсветки и фокусирус

Bt/cmz , ' i (d) = I (do) d47

я A J x ^ --1 ■ i_L_1-1 1 ■ I А -область значений порога пробоя на конгломератах частиц малого диаметра

D, мкм i íiii___ i, >

1-ый лазер

Калориметр 2

. Кристалл ^ " -* : ■

\\ /КОР ' : \

, ■ •. - : ■/'■'■ : Г (первичный

| Пробой в импульсе | | —---

I 2-го лазера Л ■ "

| (вторичный) Г ; Н Ударная волна

2"°й лазер I задержки

Рис.2 Схема теневой установки, его на нож 3 теневой схемы, представляющий собой металлическую нить диаметром 0.2 мм. Теневая картина взаимодействия лазерного излучения и УВ фиксируется на фоне интегрального свечения плазменных очагов фотоаппаратом 4 с открытым затвором. (Точность измерения положения УВ при этом определяется временем подсветки схемы - длительностью импульса 2-го лазера 15 не). Линзы 6 фокусируют излучение лазеров. Сменные калиброванные светофильтры 7 используются для регулирования энергии пучка при измерении порогов оптического пробоя в излучении 2-го лазера. Годограф УВ получается при фиксации положения фронта в серии импульсов с одинаковыми условиями образования первичного пробоя.

Излучение 2-го лазера направляется в исследуемую область с регулируемой задержкой после импульса 1-го лазера. Годограф У В получается при фиксации положения фронта в серии импульсов с одинаковыми условиями образования первичного пробоя, но при различных задержках импульса 2-го лазера.

Значительное различие в начальных скоростях и положениях формироа ния УВ достигалось при изменении условий возбуждения первичного прс боя. Пробой в излучении 1-го лазера возбуждался как в лабораторно воздухе в отсутствие мишеней, так и на мишенях в виде металличес ких(нихромовых) нитей различного диаметра. При этом удаление УВ о оси пучка 1-го лазера через 100 не после первичного пробоя варьиро валось в пределах от 200 до 640 мкм. Влияние паров и аэрозольной ком поненты, возникающей при облучении мишени, исключалось подборо? геометрии оптической схемы, при которой пары и аэрозоль не достигал) области взаимодействия пучка 2-го лазера и УВ, что было определен! рядом экспериментов по изучению динамики распространения этих фаз

Установлено, что:

1) Точка инициирования нового очага оптического пробоя в излучении 2-го лазера всегда локализуется на УВ.

2) При теневой схеме регистрации возникновения пробоя, кроме скачко: уплотнения исследуемой первичной УВ и УВ от зоны нового очагл пробоя, наблюдается дополнительный фронт. Этот фронт располагаете, за фронтом первичной УВ, параллелен и соответствует по положению ] размеру сечению фронта УВ каустикой пучка 2-го лазера(Фото 1).

3) Пороговая интенсивность лазерного излучения, при которой возникав новый очаг пробоя, снижается с ростом скорости УВ: от (4±1)-Ю10 Вт/см при скорости около 400 м/с до {4.5^55 )-10а Вт/см2 при 3000 м/с.

Экспериментальная зависимость порога пробоя от скорости У1 приведена на Рис.3.

Для определения физических условий возникновения эффекта сни жения порога пробоя выполнено зондовое исследование области распро странения УВ. Двойной электрический зонд из изолированных стеклян ным изолятором вольфрамовых нитей диаметром 35 мкм, длиной обна женных участков 200 мкм и расстоянием между нитями 350 мкм поме щатся за пределами каустики пучка 1-го лазера на расстоянии, регули руемом микрометрической подвижкой. Сигнал зонда возникал при по даче на него импульса напряжения длительностью 100 не с регулируе мой задержкой после импульса 1-го лазера. Регистрация сигнала осу ществлялась методом баллистического гальванометра, фиксировавшее прошедший через цепь зонда заряд.

По наклону кривой \п() = /(77) для минимального удаления зонда от оси очага пробоя г0=О.2 мм определена электронная температура плазмы, которая составила кТе= 1.0±0.5 эВ, и слабо изменялась в течение

1,107 Вт/см2

10000

юоо -

100 ■:

10

100

1000

10000

Рис.3. Зависимость порога оптического пробоя воздуха на фронте

ударной волны от скорости УВ. (Х=1.06 мкм; Тц=15 не ). Порог пробоя невозмущенного лабораторного воздуха составил 5-1010 Вт/см2. При больших значениях скорости УВ нижняя планка погрешности измерения доходит до оси абсцисс, т.к. за время подсветки теневой схемы 15 не проходимое УВ расстояние доходит до 40-45 мкм. При этом пороговое плазменное образование не разрешается на фоне визуализированной в теневой схеме УВ. Есть основания полагать результаты измерений порога существенно завышенными при скоростях выше 2500 м/с.

времени около 1 икс после пробоя. Оценки электронной концентрации, полученные по результатам зондовых измерений дали величины в пределах: не ниже 1016 для максимума кривой при г=1 мм и не выше 1018см"3 для максимума при г=0.2 мм.

Рис.4. Заряд, собираемый зондом в окрестности очага первичного пробоя в импульсе длительностью 15 не, в зависимости от времени после пробоя. Кривые нормированы к <2тИ=<7813)-10'8 а-с/имп. Длительность импульса собирания заряда 100 не.

Движение УВ из очага пробоя в импульсе первого лазера хорошо согласуется с расчетом по автомодельной теории "сильного взрыва" Седова-Тейлора, что позволило в дальнейшем опираться на расчеты по этой модели. Оценка ионизации по формуле Саха при температуре и плотности воздуха на фронте У В не объясняют наблюдаемое значительное снижение порога пробоя.

Рис.5. Соответствие распространения УВ закономерностям "сильного врыва"

1200

800

£3, мкм Л

л

У г 1, НС

-Цилиндр.

"Сферич,

"Эксперим.

200

400

600

800

□[ля воздуха за фронтом УВ с использованием модели "сильного взрыва" эассчитана ионизация по ассоциативному механизму: Ч + О + 2.8 эВ -» Ш+ + е А=3- 10!3-Т,/2-ехр{-32500/Т} см6моль"2с1. За/с1т = к -пх-По где а - степень ионизации. 3 качестве источника радикалов использовались только две члазмохимичсские реакции диссоциации: Э2 + М -» О + О +М к]= 3-1014 смбмоль"2с'1 + М -»N + N +М к2= 3-1014смбмолъ 2с! Полученные электронные концентрации достигают величин 1017-1018см"3. Три скорости УВ 2000-3000 м/с на ранней стадии распространения золее мощным источником ионизации является диффузия электронов из тлазмы первичного пробоя с электронной концентрацией 1019 см"3, «угорая медленно отстает от УВ. Таким образом, в слое сжатого скачком уплотнения воздуха на всех стадиях распространения УВ рассчитанная электронная концентрация достаточна для эффективного поглощения шергии лазерного излучения и нагрева молекулярной и ионной сомпонент. По достижении при нагреве давления, удовлетворяющего ^отношению:

р > {(уЬ1)/(у-1)}2р0 , где ро-атмосферное давление, зоздух в нагретом слое удовлетворяет условиям автомодельной задачи 'сильного взрыва" для среды с противодавлением р & Рв (у+1У(у-1). В ;рсде сжатого первичной УВ воздуха возникают условия для формиро-зания вторичного фронта, догоняющего первичную У В. Пороговая штенсивность возникновения вторичной УВ в излучении с частотой г удовлетворяет соотношению:_

1=-- , —2-— С =3.7-10 см с К

(у -1)- • С{2 я+пе)т

3 двойной ударной адиабате преодолевается асимптотический предел сжатия воздуха р=6 , максимальное увеличение плотности воздуха рав-то произведению сжатий в первичной и вторичной УВ и может достигать 60-80 раз при указанной концентрации электронов 10г7-1018 см"3. В жатом таким образом воздухе интенсивность лазерного излучения, при соторой развивается лавинная ионизация, ниже порога возникновения зторичной УВ. Условие формирования вторичной У В может рассмат-)иваться как лимитирующий фактор, определяющий снижение порога тробоя. Кривая численного расчета порога вторичного ударного сжатия

хорошо описывает экспериментальную зависимость порога пробоя скорости УВ (Рис.3).

В экспериментах по возбуждению оптического пробоя на УВ при инте сивности излучения выше пороговой наблюдается хорошо известная литературы стратификация пробоя - разделение очага на несколько не: висимых плазменных образований(Фото 2). Теневая регистрация поз! ляет наблюдать взаимосвязь очагов: последующий очаг проб возникает на фронте УВ, инициированной предыдущим пробое Развитие цуга очагов пробоя характеризуется высокой скоростью, время регистрации теневой картины 15 не плазменное образование Фото 2-6 удалилось от места инициирования на 750 мкм, соответствует средней скорости распространения 50-Ю3 м/с. Эт масштаб скорости распространения характерен для т.н. детонационнс режима распространения плазмы и должен соответствовс интенсивности лазерного излучения значительно выше порога прос воздуха. Явление объяснено на основе обнаруженного эффе! возникновения дополнительного скачка уплотнения при взаимод< ствии лазерного излучения с УВ. Характерная для оптического прос полная однократная ионизация газового объема при увеличении пл ности воздуха в 16 раз по сравнению с атмосферной обеспечив: критическую электронную плотность плазмы, при которой коэффицш отражения излучения с длиной волны 1.06 мкм возрастает до единш Коэффициент преломления плазмы пт<1, и отражение происходит а фазно, что приводит к интерференционном}-' усилению поля излучения. Г исходной интенсивности пучка ниже порога пробоя невозмущенного е духа 4-1010 Вт/см2 после возникновения критической плазмы интенсивно возрастает до 1.6- 10й Вт/см2, что соответствует известным из литерату характерным величинам, при которых реализуется детонационный реж Дальность распространения плазмы в этом режиме ограничена 25-40 > сильным поглощением излучения и потерей эффективности поддержа] режима интерференцией падающего излучения с отраженным от плаз на вторичном скачке уплотнения. Получены оценки характерной дли элементов цуга очагов пробоя, совпадающие с экспериментально блюдаемыми: 140-160 мкм при диаметре лазерного пучка 100 мк\ Получено экспериментальное подтверждение возникновения эк нирующего слоя при взаимодействии лазерного излучении с !

Импульс 2-го лазера включался через 500 не после импульса 1-го. При этом расширяющаяся плазма первичного пробоя по расчету отставала от УВ на расстояние более 100 мкм. Подобрана интенсивность излучения, при которой зародышевый очаг пробоя возникавший первоначально на границе расширяющейся плазмы первичного пробоя вдали от УВ, прекращал развитие из-за экранировки критической плазмой вблизи УВ(Фото 3). В эксперименте оценено время достижения режима экранировки 0.4-1 не.

Таким образом, в главе 2 получены следующие результаты: Для лазерных импульсов с длиной волны 1.06 мкм и длительностью 15 не:

• Измерена экспериментальная зависимость порога оптического пробоя воздуха от размера одиночных аэрозольных частиц в диапазоне

1-40 мкм. Интенсивность порога пробоя падала с 1 -Ю10 Вт/см2 до

2-109 Вт/см2. Зависимость аппроксимирована функцией

/(</) =/(¿0).<Г°-47, \d\ — мкм

• При возбуждений ударной волны очагом оптического пробоя исследовано возникновение вторичного оптического пробоя в запаздывающем на 20-1000 не импульсе второго лазера. Измерена зависимость порога вторичного пробоя от скорости УВ. Пороговая интенсивность снижшасъ в диапазоне скоростей 400-3000 м/с с (4±1) ■1010 Вт/см2 до (4.5^) -108Вт/см2 при 3000 м/с.

• Возникновение условий для двойного ударного сжатия и последующей лавинной ионизации воздуха приводит к образованию плазмы с критической электронной плотностью, которая экранирует прохождение лазерного излучения. Экспериментально определено время возникновения эффекта экранировки 0.4 -1 не при интенсивности 4 -10я Вт/см2.

В главе 3 диссертации исследуется повреждение прозрачных диэлектрических подложек при лазерной обработке поглощающих (металлических) покрытий толщиной в пределах 0.1-0.3 мкм. Исследование проводилось на двух основных группах образцов со значительно различающимися физико-химичсскими свойствами подложек:

• стеклянные подложки с поглощающими покрытиями;

« металлизированные лавсановые пленки, являющиеся новым пер спективным материалом для изготовления офсетных печатных фор) методом прямой лазерной гравировки в цикле "СотрШег-(о-Р1а(е ".

Выполнен ряд экспериментов, имевших своей целью получение ка чественной картины особенностей и последовательности процессов приводящих к повреждению материала подложки при удалении покры тия лазерным излучением. В ходе работы получен большой массив дан ных о повреждении стекол с различного рода покрытиями в импульса; миллисекундного диапазона длительности при плотности энергии в им пульсе от 1 до 100-150 Дж/см2 на длине волны 1.06 мкм.

Воздействие лазерного излучения на металлизированные лавсано вые пленки изучалось в двух основных режимах обработки: в импульса: свободной генерации Ш-лазера длительностью 0.5 мс и при обработк непрерывным излучением с движением пленки относительно фокуса.

В импульсах миллисекундной длительности измерены пороговы плотности энергии удаления покрытия. Для исследованных видов пле нок порог удаления покрытия был ниже энергии испарения металличес кой пленки. В отличие от покрытий на стекле, при лазерной обработк пленок в пороговых режимах на лавсановой подложке не обнаруживает! ся следов плавления металла.

При нагреве лавсана в процессе обработки происходит растрескива ние полимера. Из совокупности экспериментальных наблюдений опрс делено, что трещины возникают в процессе лазерного воздействия. Эт приводит к фрагментации пленки металлического покрытия и независи мому удалению отдельных фрагментов.

В диапазоне интенсивностей 1.5-103 - 2.5-104 Вт/см2 удаление пс крытия происходит при постоянном значении поглощенной энергии лг зерного излучения, что связано с конечной скоростью пиролиза лавсан и его значительным перегревом. При воздействии н металлизированную лавсановую пленку лазерного излучения отличающимися интенсивностями /„ ¡=1,2... выполняется соотношение

прогретых слоев лавсановой подложки объемом У,, г, - время пребывания эти

ехр{-Еа !кТг} Уг т2 ехр{-£а / кТх ] У} тг

1 , где Ti - средние температур:

слоев при температуре выше Т„ активации пиролиза.

пиролиза

•350°С. Еа=41.7 ккал/моль - энергв

Движущиеся пленки обрабатывались непрерывным излучением с длиной юлны 1.06 мкм с характерным временем лазерного воздействия в пределах 1-20 мкс. Размер зоны удаления покрытия значительно превосходил шмеры области лазерного воздействия, достаточного для испарения плен-:и, и был меньше размера зоны возможного оплавления теплоизолирован-гого от подложки покрытия.

Для модели удаления покрытия под действием давления газообраз-1ых продуктов пиролиза лавсана произведен численный расчет порого-1ых энергий удаления покрытия для диапазона скоростей движения щенки 3-12 м/с, мощности падающего излучения 3 Вт и гауссовом рас-феделении плотности мощности в фокальном пятне:

/ = /0 • ехр{- 2г2 / а2} при я = 21 мкм,

гго соответствовало экспериментально определенному распределению в >еальном пятне фокусировки. Полагалось, что регулярная(бвз учета отелившихся фрагментов пленки с ломанными краями) граница удален-юго покрытия совпадает с границей зоны, на которой при лазерном )блучении достигается температура плавления материала покрытия.

Табл.З Пороги удаления некоторых материалов покрытий.

Плотность мощности падающего лазерного излучения, Дж/см2

Расчетная энергия испарения 3 Скорость движения пленки, м/с 4 5 6 8 10 12

0.1 мкм 1.1 0.59 0.37 0.42 0.35 0.35 0.39 0.37

П, 0.25 мкм 1.5 0.37 0.37 0.50 0.45 0.49 0.51 0.55

Г1+оксид, 0.35 мкм 1.1-1.4 0.07 0.08 0.33

П+оксид, 0.25 мкм 0.8-1 0.19 0.16 0.22 0.33 0.31 0.25 0.26

1атунь, 0.1 мкм - 0.07 0.08 0.13 0.25

М, 0.2 мкм >12 1.06 0.98 1.13 0.86

Лавсановая подложка рассмотрена как жидкая теплообменная среда, $ которой возникает тангенциальный к поверхности раздела металличес-сой пленки и подложки тепломассоперенос от участка, находящегося юд воздействием лазерного излучения к ранее обработанным участкам. Это соответствует наблюдающемуся при обработке сдвигу поверхностных слоев лавсана в сторону охладившихся ранее обработанных участ-сов на расстояние до 45-50 мкм, из которых до 30 мкм осуществляется *е позже, чем в первые 20 мкс после лазерного удаления покрытия.

Учет теплоотвода в лавсановую подложку и ее пиролиза позволя объяснить наблюдающееся образование квазипериодических структу вдоль линии лазерной гравировки(Рис.4). Давление продуктов пиролгс лавсана на соседние слои приводит к образованию растягивающих ш пряжений, превышающих предел прочности полимера, и к возникнов< нию трещин в лавсане и в металлической пленке. Основные результаты главы 3:

е Измерены пороговые режимы удаления металлических плена толщиной 0.1-0.35 мкм на лавсановых пленках, которые являютс новыми материалами для прямой лазерной гравировки офсетнь. печатных форм в цикле "Компьютер-форма". Измерения выполнен для импульсного лазерного воздействия миллисекундного диапазон длительности и для обработки непрерывным излучением с Л=1.0б мк при движении пленки относительно фокуса со скоростями 3-12 м/с.

в На основании экспериментальных данных предложена пракпи ческая расчетная схема для оценки результата обработки лавсановь, пленок с металлическими покрытиями, учитывающая тетоотвод подложку, перегревающуюся до 700-800°С. Предложено приближение постоянным коэффициентом теплопередачи от покрытия к лавсс новой подложке а = 4-105 Вт -м'2-К1,

» Показано, что качество края линии гравировки определяете возможностью удаления твердых фрагментов давлением продукте пиролиза лавсановой подложки в случае, если в условиях обработк достигается нагрев лавсана до температуры разложения ~ Образование трещин и разлет фрагментов пленки в твердой фаз приводит к формированию в зоне обработки аэрозольной среды частицами диаметром 3-10 мкм.

* Показано, что образование квазипериодических структур, по /« торьш происходит фрагментация и отслоение металлической пленк на краю дорожек гравировки, становится пренебреэ/ашъш при повь гиении скорости лазерной гравировки с 3-4 м/с до 8-10 м/с.

Глава 4 посвящена исследованию износа твердых покрытий г нитрида титана на полиграфических валах.

Износостойкое покрытие толщиной 3-6 мкм наносилось н растровые валы с профилированной поверхностью. Глубина ячее1

ставляла 25 и 30 мкм, период профиля 80-120 мкм для валов с ниатурой соответственно 120 и 80 см"1. Вал при вращении испытывал ение при контакте с ракельным ножом - пластиной толщиной 200 мкм закаленной стати У8, которая прижималась к валу со средним по нтактной поверхности ракеля давлением 1.5 МПа.

Микротвердость нитридной пленки составляла 20-22 ГПа, микро-ердость материала ракеля - 6-9 ГПа. Покрытие защищало от износа 'верхность вала из стали 20 с микротвердостью 1.5 ГПа.

Исследование износа при сухом трении на профилированной по-рхности растрового вала позволило точно оценивать условия взаи->действия материалов на возникающих контактных площадках. На новании анализа характера следов износа по стадиям определена важ-я роль т.н. "температурной вспышки" - локального нагрева материала л трения на точечных площадках контакта. Определено, что при геныпении в процессе трения толщины покрытия менее 1 мкм влия-се температурной вспышки сводится к двум основным процессам:

1. Возникновению на границе с подложкой из стали 20 контактных рмомеханических напряжений, приводящих к образованию трещин и слаиванию покрытия. Эффект соответствует началу режима катастро-етеского износа для изделий с гладкой (непрофилированной) )верхностью. Для растрового вала ввиду наличия наклонных стенок :еек растра твердое покрытие продолжает функционировать, юдотвращая быструю потерю объема ячейки, что обеспечивает до 30% сурса вала.

2. В зоне температурной вспышки активируется термохимический просе диффузии кислорода в пленку нитрида титана, что регистрируется по вникновению цветов побежалости на поверхности нитридной пленки, роникновение кислорода в нитрид приводит к образованию участков с шышенным удельным объемом и их отслаиванию, что значительно коряет износ вала. Последнее противоречит представлениям о нитриде тана как о материале, стойком к воздействию высоких температур и ¡вестным из литературы экспериментальным данным по диффузии юлорода в ТЖ-пленки.

тя условий трения вала и ракельного ножа, выполнена оценка мощности щеления тепла на контактных площадках, температуры вспышки и ее ¡ительносга. Параметры, характеризующие вспышку, близки к условиям чрева материала в импульсном лазерном излучении с длительностью

импульса в пределах Ю^-Ю"6 с. На этом основании лазерное воздействи было использовано для моделирования условий в температурной вспышке целью изучения их влияния на физико-химические процессы, которые мс гут приводить к ускорению износа нитрида титана.

Лазерный нагрев поверхностей, покрытых нитридом титана, бе образования кратера проплавления до подложки позволил выполнят тестирование поверхностей упрочненных изделий. Недостаточная адп зия покрытия в результате нарушения технологического режима довг куумной подготовки поверхности проявлялась в виде растрескивани пленки нитрида титана и ее отслоения.

При исследовании влияния лазерного нагрева на окисление нитрид титана обнаружено, что глубокое проплавление металла с покрытие, приводит к полному удалению покрытия в окрестности кратера либо л* нии разделения материала. При лазерном разделении стали 65Г со скс ростью 140 мм/мин. покрытие толщиной 0,2 мкм полностью исчезало н расстоянии до 1 мм от края линии разделения. При лазерной гравировк стали У8 с "ПК пленкой толщиной 1 мкм лазерными импульсами д."» тельностью около 10 мке покрытие полностью удалялось на расстояни до 60 мкм от кратера, что значительно превышало возможные размер: области влияния края фокального пятна.

Во всех случаях за зоной исчезновения покрытия следовала зон цветов побежалости, соответствующих образованию оксидов, постепс! но переходящая в зону слабо изменившего цвет нитрида. Покрытие области интенсивных цветов побежалости было покрыто сеткой трещи и имело шероховатую структуру, свидетельствующую об отслоении ча< ти фрагментов. Методом лазерно-искрового спектрального анали: определено, что в указанной зоне значительно уменьшилось содержат титана.

Табл.3 Содерж. Л вЮО-мкмслое Х18Н10Т:"ПМ(0.2 мкм)

в окрестности лазерного реза, %_

~№ } Ге, \ Сг, { ТУ, {Примечания

_1_ ¡82__2_ ' Ш)_ ¡0,8 _ ' Исход_конц_ в Х18Н10Т™_____

_2_ | 78.0 Х2_0А ~|~0.8 _за_зоной цв. побежалости___

3 | 78.1 | 21.6 | 0.33 | Зона окрашенных окислов Л

4 ~~59.6 "]~40.2 ~[~0.17 |~Полн. удал. ТМ. Содерж. "П со-

I_1_I_| ответствует стали без покрытия

Определяемая по глубине слоя растрескивания и отслоения пленк глубина проникновения кислорода в ТШ в условиях импульсного лазер

зерного нагрева соответствует 10-100-кратному превышению коэф-[циентов диффузии в пленки нитрида титана, измеренные при щионарном нагреве. Эта же величина характерна для глубины шпеней отслоения фрагментов пленки в окрестности температурной пышки при наблюдении износа ТШ-покрытий, что может служить дтверждением эффективности метода лазерного моделирования эмулированных тепловыми эффектами при трении локальных (зико-химических процессов, ускоряющих износ.

Результаты изучения процессов, происходящих в окрестности шпературной вспышки и приводящих к ускорению износа, применены и выборе многослойных покрытий растровых валов с верхним ткционалъным слоем нитрида титана. Повышение износостойкости шх покрытий достигалось уменьшением уровня температур на нтактных площадках за счет механических и теплофизических эйств промежуточных слоев. Основные результаты диссертационной работы.

1. Получены экспериментальные зависимости порогов оптического пробоя воздуха в излучении неодимового лазера(Х.= 1.06 мкм, т=15 не) от диаметра аэрозольных частиц в диапазоне 1-40 мкм и от скорости ударной волны(УВ), распространяющейся из очага пробоя в предыдущем лазерном импульсе, для диапазона скоростей 1-10 М.

2. Предложена физическая модель механизма снижения порога оптического пробоя на УВ в воздухе. Снижение порога пробоя достигается в слое воздуха, претерпевшем двойное ударное сжатие. В результате лавинной ионизации этого слоя в мощном лазерном излучении возможно достижение плазменной частоты, равной частоте излучения неодимового лазера, что приводит к экранировке обрабатываемых мишеней.

3. В результате исследования пороговых условий удаления металлических покрытий(0.1-0.35 мкм) на лавсановых пленках, получена практическая методика расчета результатов лазерной обработки с учетом теплопередачи в лавсановую подложку и ее пиролиза. Методика позволяет прогнозировать параметры производительности и качества лазерной обработки новых перспективных материалов офсетных печатных форм на основе металлизированных лавсановых пленок.

4.Проведено исследование износа растровых валов с функциональ ным покрытием из нитрида титана. Выявлена важная роль в ускорении износа локального нагрева пленки в точках контакта со вторы.\ телом трения - т.н. "температурной вспышки". Растрескивание по крытая в зоне температурной вспышки, оксидирование и последую щее отслоение оксидированных фрагментов изучались посредство?, моделирования нагрева в температурной вспышке при тренш импульсным лазерным нагревом. Результаты исследование применены для совершенствования технологии упрочнение растровых валов вакуумным синтезом нитрида титана и технологий включающих последовательную лазерную гравировку и синте: износостойкого TiN-покрытия.

Литература.

1. Захарченко C.B., Покровский С.Г./ Зависимость порога оптического пробо: воздуха от размера аэрозольных частиц(/*=1.06 мкм)// Тез. докл. IV Всесоюз совещ. по распростр. лазерн. излуч. в дисперсн. среде, Обнинск-Барнаул, 1988 T.II, с. 98-99

2. C.B.Захарченко, С.Г.Покровский, Г.А.Синтюрин/ Методика определени структуры поперечного сечения интенсивных лазерных пучков// Сб. матер Всесоюз. конф. "Физика и применение твердотельных лазеров"(16-17 апр 1990), М.: ИОФАН, 1990, с.90

3. С.ГЛокровский /Исслед. порога оптического пробоя на металлич. нити пр: пластич. деформировании // Тез.докл. VIII Всесоюз. конф. по взаимодсйсп опгач. излуч. с в-вом (Л-д, 6-11.09.90), Л-д: ГОИД990, т.2, с.24

4. Покровский С.Г., Горбач А.Ф., Кульбацкий Е.Б./ Повьшхени износостойкости растрового вала лазерной обработкой поверхности пере, нанесением покрытия из нитрида титана// Тез. докл. конф. "Покрьггш упрочнение,очистка. Экологически безопасные технологии и оборудование (Москва, 18-21 апр. 1995 г.), М.: 1995, с. 19-20

5. Горбач А.Ф., Кульбацкий Е.Б., Покровский С.Г. / Исследование износ растровых валов для флексографской печати с вакуумными покрытиями Til4 TiN-Ti // Там же, с.21

6. Покровский С.Г. / Лазерная гравировка стекла излучением средне интенсивности в области прозрачности //Там же, с.227.

. Горбач А.Ф., Кульбацкий Е.Б., Покровский С.Г./ Ионно-плазменная бработка валов для полиграфического машиностроения. Модели разрушения окрытий// Тез. докл. IV Всерос. конф. по модифик. свойств конструкц. матер, учками заряж. частиц. (Томск, 13-17 мая 1996 г.), Томск, 1996, с.445. . Покровский С.Г., Углов A.A. / Быстрое цепное растрескивание стекла в азерном излучении 1.06 мкм в слое термических напряжений// Тез. докл. IV '1еждунар. совещ.-семинара "Инженерно-физические проблемы новой техники" Москва, 21-23 мая 1996 г.), М.: Центр прим. физ. МГТУ им. Баумана, 1996, .220-221

. Горбач А.Ф., Кульбацкий Е.Б., Покровский С.Г./ Модели разрушения ионно-лазменных покрытий на крупногабаритных изделиях(полиграфические алы)//Там же, с.238

0. Покровский С.Г., Горбач А.Ф., Кульбацкий Е.Б., Углов A.A./ ППС на 1еталлизированных лавсановых пленках за пределами пятна фокусировки ла-ерного излучения при обработке со сканированием в процессе прямой лазерной равировки офсетных печатных формИ Тез. докл. симпозиума "Синэргетика, труктура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии"(Москва, 2-14 ноября 1996 г.), М„ 1996, ч. II, с.95-97

1. Покровский С.Г., Углов A.A. / Снижение порога оптического пробоя оздуха на фронте ударной волны в излучении неодимового лазера// Там же, .152-153

2. Покровский С.Г., Углов A.A. / Цепочка оптических пробоев в пределах |Диночного лазерного импульса 15-наносекундной длительности//Там же, с. 54-156.

3. Покровский С.Г. / Повреждение стекол с поглощающими покрытиями в юле лазерного излучения средней интенсивности. // Физ. и хим. обр. материа-iob.1997,-N4, с.28-35

4. Покровский С.Г., Бурменко Ю.Н., Кульбацкий Е.Б. /Влияние модификации годстилающей поверхности латуни потоком ионов Аг(1-3 кэВ) на ¡ысокотемпературвое оксидирование тонких пленок нитрида титана// Тез. докл. V Межгосуд. семин. "Структурные основы модификации материалов методами [етрадиционных технологий MHT-IV(06hhhck,17-19 июня 1997 г.), Обнинск: 1АТЭ, 1997, с. 154-155.

5. С.Г.Покровский. /Рентгенофлуоресаентньш бездифракционный метод омерения толщин микронных пленок //Там же, с. 155-157.

6. С.Г.Покровский, А.Ф.Горбач, Е.Б.Кульбацкий./ Формирование структуры ювреждений с дальним порядком корреляции в прозрачном диэлектрике при [азерной обработке поглощающего покрытия.//Там же, с. 157-158.

ю СЛ

Фото 1.

Теневые фотографии и поясняющая схема системы ударных

300 мкм

Фото 2-а,б,в

Интегральная и теневые фотографии различных реализаций возникновения системы очагов вторичного пробоя на УВ. На Фото 2-6 различаются 6 очагов пробоя.

а

б

УВ от микровзрыва за фронтом первичной ударной волны