Лазерный нагрев, воспламенение и горение металлов в газовых и жидких средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ОТДЕЛ ТЕПЛОФИЗИКИ

рГ6 ол

и "-»'.и

На правах рукописи УДК 621.373.826

А Р 3 У О В МАКСЕТ ИЗИМБЕТОВИЧ

ЛАЗЕРНЫЙ НАГРЕВ, ВОСПЛАМЕНЕНИЕ И ГОРЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В ГАЗОВЫХ И ЖИДКИХ СРЕДАХ

01. 04. 21-Лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

ТАШКЕНТ - 2000

Работа выполнена в Каракалпакском государственном университете им. Бердаха

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Углов А.А; академик АН РУз Раджабов Т.Д; доктор физико-математических наук, профессор Алимов Д.Т.

Ведущая организация:

Самаркандский государственный университет им. Алишера Навои

Защита состоится « _2000 года в часов

на заседании специализированного Совета Д 015.90.01 при Отделе теплофизики АН Республики Узбекистан. По адресу: 700135, г.Ташкент, Катартал, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Отдела теплофизики АН Республики Узбекистан.

^т разослан2.000*

Ученый секретарь специализированного Совета, доктор физико-математических наук,

Г ХА

профессор V____Мирзаев А.Т.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 СОг - 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 « металл+окисел» 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

1. 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;

2. 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 u 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении на основе анализа состояния вопроса до настоящего времени, обосновывается актуальность работы, определена цель и общая программа выполненных исследований, сформулированы защищаемые положения, практическая ценность и научная новизна, а также изложена структура диссертационной работы в целом.

Глава I посвящена анализу литературных данных по взаимодействию лазерного излучения с металлами в химически активных средах, причем в следующей последовательности изложения, отражающей степень развития представлений и взглядов по проблеме лазерного окисления металлов : процессы при изотермическом окислении металлов (§1.1), особенности физических процессов при лазерном нагреве окисляющихся металлов до температур фазовых переходов (§1.2) и термохимические явления при лазерном воспламенении и горении металлов в химически активных средах (§1.3) . При лазерном окислении металлов начинает играть существенную роль новый важный параметр, определяющий степень активного влияния окружающей среды на характер взаимодействия лазерного луча с мишенями - поглощательная способность растущих окислов металлов на длине волны облучения. Анализированные физические модели процессов лазерного окисления металлов, основывалась на допущении о монотонности увеличения поглощательной способности системы "металл+ окисел" с толщиной окисной пленки. В дальнейшем отражены все принципиальные особенности термохимических процессов при лазерном нагреве окисляющихся металлов, без учета влияния на кинетику нагрева мишеней экзотермичности химической реакции окисления. Обзор работ по лазерному воспламенению и горению металлов показал, что выявленные в наших работах специфически особенности термохимических явлений в многокомпонентных гетерогенных системах, с различной химической активностью каждой из компонент послужили основой для дальнейших исследований этих процессов при различных параметрах концентрированных световых потоков и теплофизических свойств металлов. Анализ работ по воздействию лазерного излучения на металлы в жидких средах проведен в Главе VI , в ходе обсуждения результатов исследований.

В Главе II обсуждаются выходные энергетические данные использованных в опытах источников лазерного излучения и

соответствующие к конкретным задачам исследований методики проведения экспериментов; вводятся понятия о регистрируемых и измеряемых величинах, характеризующих специфику наблюдаемых явлений и темпы нагрева металлов ( "холодная" поглощательная способность, физико-химическое состояние поверхности мишеней и др. ), причём, в эту же главу включены и оригинальные результаты опытов по лазерной очистке поверхностей мишеней, как имеющих методологическое значение.

В Главе III (§3.1) систематизированы результаты исследований закономерностей лазерного окисления тех метшыов, для которых экзотермичность реакций окисления существенно не влияет на темп их нагрева до температур фазовых переходов , в зависимости от различных условий опытов: плотности светового потока, физико-химического состояния поверхности, сорта газа и давления, что позволило уяснить термохимические механизмы эффективного использования окислительной среды при тепловом воздействии лазерного излучения. В ранних работах при изучении процессов нагрева металлов непрерывным излучением ССЬ-лазеров было обнаружена немонотонность изменения АЭфф(Т) связанная с лазерной очисткой поверхности металлов, активацией окислительных реакций. и интерференционными явлениями в слоистой системе "металл+окисел". Представлены и обсуждаются результаты исследований

процессов нагрева металлов в воздухе непрерывным ИАГ -лазером при мощностях сравнимых с СС^-лазерами, показывающие специфические особенности и различия динамики изменений T(t) и Аэфф(0. В §3.2 предлагается способ определения оптимальных параметров лазерного нагрева окисляющихся металлов с учётом реальной динамики изменения Аэфф(Т), выявленной в наших опытах. Несмотря на обширный экспериментальный материал накопленный по лазерному нагреву металлов в окислительной атмосфере, некоторые аспекты данной проблемы оставались неизученными. Для цельности общей картины процессов лазерного окисления металлов, в §3.3 исследованы процессы "квазистационарного" нагрева металлов при температурах выше температур активации окислительных реакций т. е. в режиме своеобразного лазерного аналога изотермического окисления металлов при Т > Та . При изучении этих явлений , нами были обнаружены проявления новых аспектов взаимодействия лазерного излучения с окисляющимися металлами, не вытекающих из качественных теоретических моделей имеющихся в литературе в этой области исследований.

Глава IV посвящена специфике физико-химических процессов лазерного нагрева металлов в газовыл средах при импульсно-периодическом режиме воздействия. В §4.1 излагаются результаты

экспериментов и предлагается физичёская модель лазерного нагрева мишеней в воздухе, когда интенсивность воздействия света в каждом импульсе недостаточна для поджигания на поверхности мишени плазмы низкопорогового пробоя воздуха. Проявляемая, при этом, специфика изменения температуры и, соответственно, эффективной поглощательной способности металлов, характеризуется следующими особенностями. Начальная стадия нагрева аналогична случаю воздействия непрерывного излучения т. е. наблюдается эффект лазерной очистки. При дальнейшем нагреве во-первых, - окисление активируется быстро и при меньших значениях температуры мишени; во-вторых, -значения эффективной поглошательной способности, например, для медной мишени возрастают до 80%, тогда как в непрерывном до 40-50%; в третьих, -наблюдаются большое число пиков поглощательной способности и до температур плавления окисная пленка достигает гораздо больших толщин чем в непрерывном. Предлагаемая физическая модель базирована на двух обстоятельствах, определяющих особенности нагрева металлов при импульсно-периодическом режиме облучения: во-первых, для используемых размеров мишеней условие термически тонкости справедлива только для средней температуры образца, а в течение импульса (106 сек. ) не выполняется; во-вторых, рост окисной плёнки продолжается и в промежутках между импульсами. Полученные зависимости отражали все специфические особенности кинетики лазерного нагрева металлов наблюдаемые в наших опытах. Оптический пробой газов является важным фактором, который следует учитывать при изучении процессов взаимодействия лазерного излучения с твёрдыми мишенями, в частности, в лазерной технологии обработки металлов. Процессы образования и развития плазменной области существенно меняет и процесс энерговклада лазерного излучения в мишень , так как в зависимости от степени прозрачности плазмы для данной длины волны облучения, в общем случае нагрев металлов может происходить как излучением прошедшим на мишень, так и за счёт теплового контакта , к примеру , плазмой пробоя воздуха . В §4.2 впервые изучена специфика развития низкопорогового пробоя газов вблизи мишеней, инициируемого в каждом импульсе частотного режима лазерного воздействия и показано , что поджигание плазмы в одиночном или в первом импульсе серии всегда происходит на поверхности и длина области занимаемой плазмой пробоя в направлении луча не зависит от материала мишени, а в последующих импульсах серии наблюдается смещение границы пробоя газа от поверхности мишени, причём, этот эффект зависит от материала мишени и частоты следования импульсов Г В §4.3, на основе экспериментальных фактов показано, что при нагреве металлов ИП лазерным излучением в воздухе необходимо учитывать влияния на

эффективную поглсицательную способность двух факторов: плазмы пробоя воздуха вблизи мишеней и окислительных реакций на её поверхности. Как оказалось, в отсутствии пробоя газа на поверхности мишени, начальная поглощательная способность одинакова как в непрерывном так и ИП режимах облучения . Однако, как только интенсивность излучения становится выше пороговой для образовании плазмы на мишени, величина начальной поглощательной способности при ИП облучении скачком увеличивается от А0до Апл, причём величина А пл может достигать 30 %. Эксперименты проводились при неизменной частоте повторения импульсов ( Г=100 гц). Было выявлено следующее. При нагреве мишени до определённой температуры плазма пробоя на поверхности мишени возникает при значениях 1<1пор. В атмосферном воздухе при поджигании плазмы на мишени, с ростом I (при постоянном пятне облучения), величина А,фф( Т) монотонно убывает, что связано с отрывом плазмы при увеличении интенсивности облучения от поверхности мишени и движением её по лучу. В результате, только часть плазмы находится в тепловом контакте с поверхностью мишени и все меньшая доля лазерной энергии идёт на нагрев мишени. До тех пор пока Мпор для поджигания плазмы, значение АПЛ>А0 и падает с уменьшением давления, что связано с увеличением прозрачности плазмы пробоя, когда с уменьшением давления воздуха все меньшая доля энергии лазерных импульсов поглощается в плазме и, соответственно, передаётся в мишень. Как только I < 1пор ( или при некотором критическом значении давления) начинает выполняться Апл = А0. Отметим, что при поджигании плазмы, величина А,фф определяется, вообще говоря, не только передачей тепла от плазмы в мишень, но и непосредственным поглощением излучения в мишени. Нами показано, что при этом, доля непосредственного поглощённого излучения определяется не только материалом мишени, чистотой её поверхности, но также условиями поджигания и распространения плазмы пробоя в ИП режиме воздействия. В наших опытах обнаружен эффект снижения порога пробоя воздуха вблизи мишени, нагретой ИП излучением по сравнению с холодной мишенью. Механизм этого эффекта, по-нашему мнению, выглядит следующим образом, По мере нагрева мишени происходит "очистка" её поверхности от примесного материала. В результате испарения поверхностного слоя мишени, вблизи зоны облучения находится уже не чистый воздух, а смесь воздуха и паров, условия поджигания оптического разряда в которой сильно облегчены меньшим отношением значения потенциала ионизации паров к атомному весу по отношению к воздуху. В §4.4 проводится сравнение эффективностей нагрева металлов ИП и непрерывного лазеров в воздухе при одинаковых значениях средних мощностей излучения и начальной поглощательной способности мишеней. После активации

окисления, мишень облучаемая ' непрерывным лазером, с соответствующим проявлением интерференционных эффектов, быстро разогревается до плавления . Проплавить образец ИП излучением не удаётся даже при значительном увеличении времени воздействия. По нашему мнению, этот эффект связан с разрушением при высоких температурах окисной плёнки в зоне воздействия лазерного импульса. В результате, уменьшение Аэфф оказывается настолько существенным, что тепловые потери не могут быть скомпенсированы за счёт выделения в мишени лазерной энергии. Нами показано, что рассмотренная выше картина нагрева медной мишени излучением ИП лазера, при поджигании на её поверхности плазмы пробоя воздуха, в общих чертах свойственна и нагреву других металлов.

Глава V посвящена изучению гетерогенных процессов при лазерном воспламенении и горении металлов в газовых средах. В§5.1 излагаются специфические особенности высокотемпературного окисления металлов приводящих их к фазовому переходу в режиме воспламенения и горения. В этом случае, казалось бы, в общем энергетическом балансе, должно играть существенную роль тепло, выделяемое при протекании экзотермической реакции окисления. Представлены результаты исследований особенностей проявления этих явлений показывающие, что этот вывод далеко не тривиален. Температура воспламенения и горения у некоторых тугоплавких металлов (например, вольфрама), достигается за счёт поглощения излучения только в окислах, а дальнейшем необходима непрерывная "подпитка" лазером (вынужденный режим горения), тогда как магний после воспламенения продолжает гореть и при отключенном источнике разогрева (самоподдерживающий режим горения). Общепринятым условием воспламенения является равенство интенсивностей тепловыделения и теплопотерь. Рассматривается физическая модель лазерного воспламенения и горения металлов при умеренных плотностях светового потока, с использованием, в частности, для вольфрама паралинейного закона окисления, соответствующих уравнений теплопроводности I, строгого выражения для изменения поглощательной способности системы "металл+окисел". Решением этой нестационарной задачи определялись: некоторое значение мощности облучения Рвос, при котором происходит воспламенение металла и значение мощности Рвг < Рвос для случая вынужденного горения. Если Р>РЮС, то происходит воспламенение металла и устанавливается стационарная температура Т=ТСГ. При этом, в период самоускорения реакции, на кривой <1Т/сИ проявляется характерный всплеск, что хорошо регистрировался в наших ранних опытах . Если же Рвг < Р < Рвос, то система переходит в стационарное состояние с возможной наименьшей стационарной температурой. В этом случае, значения мощности излучения

достаточно для того, чтобы поддерживать горение металла, но недостаточно для того. чтобы нагреть металл до температуры воспламенения. В этих условиях можно осуществить поджиг металла при комбинированном воздействии непрерывного и импульсного лазеров, причём короткий импульс играет роль "лазерной спички, нагревающий металл до температуры воспламенения. §5.2 посвящен изучению специфических особенностей высокотемпературного синтеза азотосодержащих соединений при лазерном воспламенении тугоплавких металлов в воздухе. В большинстве работ по высокотемпературному лазерному окислению металлов, в явном или неявном виде предполагалось, что основным фактором, определяющим эффективность окислительного механизма нагрева металлов, является парциальное давление кислорода в среде окружающей мишень, что и в действительности наблюдались в опытах. При этом измерялось некоторое критическое значение ркр , ниже которой нагрев мишени аналогичен нагреву в вакууме или в нейтральной атмосфере, что обусловлено с несущественным вкладом в нагрев образца поглощения в тонких окисных слоях. Отметим, что используемое в опытах значение парциального давления р000 есть среднее значение давления кислорода по всему обьёму окружающей среды. Однако, в процессах нагрева, из-за диффузионных процессов переноса реагентов через твердофазный продукт реакции, давление р0к кислорода непосредственно на поверхности растущего окисла, не совпадает с его значением вдали образца р0°° . Причём р0к определяется скоростью диффузии твердофазного массопереноса реагентов (скоростью реакций), которая зависит как от толщины так и от температуры мишени. Следовательно, в процессе нагрева металлических мишеней в окислительной среде, всегда существует градиент концентрации кислорода с минимумом на поверхности окисла, возрастающей плотностью с удалением от мишени . Таким образом кинетика окисления металлов лимитируется не только скоростью диффузии реагентов через окисный слой, но и скоростью диффузии молекул кислорода в окружающей мишень газовой среде. В общем случае, кинетический режим окисления, когда скорость реакций лимитируется массопереносом через твердофазный продукт синтеза, может реализоваться в случае малоинтенсивного потребления кислорода в зоне реакции из окружающей мишень среды. В многокомпонентных газовых средах содержащих и кислород (воздух), при высоких температурах образца могут реализоваться ситуации, когда доступ кислорода в зону реакции ограничен его газофазной диффузией через другие компоненты среды и этот фактор - газофазный массоперенос, лимитирует скорость окисления ( диффузионный режим окисления). Впервые этот эффект наблюдали в работе при инициировании непрерывным С02-лазером

воспламенение циркония в воздухе, когда был обнаружен ярковыраженный максимум отражательной способности Я, коррелирующий во времени с максимумом энерговыделения. Среди возможных причин столь высоких значений Я (~0, 85) в этой работе указаны: появление на поверхности окалины нитридов (оксинитридов), обладающих металлической проводимостью и, следовательно, высоким отражением, а также убывание толщины окалины вследствии превышения массового потока кислорода из окалины в раствор над его потоком из газа в окалину. Для регистрации кратковременного появления нитридных фаз удобно проследить за динамикой их развития с помощью оптических методов, но, при этом, как оказалось, важно подобрать оптимальную длину зондирующего излучения. В §5.3 изучены нестационарные процессы диффузионного режима горения металлов и показано, что наиболее оптимальными для исследования процессов воспламенения и горения (и вообще лазерного окисления ) тугоплавких металлов, является лазерное излучение более коротких длин волн, чем, к примеру, С02-лазер. Действительно, при изучении процессов воспламенения циркония в воздухе непрерывным ИАГ- лазером было обнаружено, что убывание отражательной способности после скачка Я, сопутствующего появлению нитридной фазы, имеет осциллирующий характер, связанное со специфическими явлениями, обусловленными с развитием нового типа термохимической неустойчивости, на границе перехода из кинетического режима высокотемпературного окисления в зоне облучения в диффузионный, что не проявляются при воздействии С02- лазера. Далее, в данном параграфе, нами изучены динамика развития наблюдаемых процессов в зависимости от параметров опытов, частности, от мощности облучения. Аналогичные закономерности наблюдались и при лазерном воспламенении титана и гафния. Эксперименты также показали, что появление нитридной фазы является кратковременным и в дальнейшем нагревании мишени она практически растворяется в окисле, что должно, казалось бы, приводить к монотонному или колебательному (из-за интерференционных эффектов) увеличению поглощательной способности окалины. Действительно, на первый взгляд, эти явления имеют место, однако, как оказалось , этот эффект не связан с интерференционными явлениями в системе "окисел+нитрид". Закалка мишеней в процессе нагрева в моменты максимумов и минимумов отражения Я показали, что размеры нитридного пятна не уменьшаются монотонным образом, а имеют колебательный характер, но тогда для зоны диффузионного режима должна проявляться нестационарная динамика её изменения. В наших опытах это было экспериментально подтверждено зондирующими лазерными излучениями других длин волн, так как отражения от металлических соединений, для различных длин волн, должны быть

совмещены во времени. В качестве основного источника, используемого для нагрева мишени, применялся непрерывный ИАГ-лазер, а для дополнительного непрерывный С02-лазер, значение мощности которого практически не влияло на нагрев образца. §5.4 посвящен исследованию термохимических механизмов лазерного травления вольфрама в воздухе .Подробное изучение термохимичеких механизмов этого процесса показало, что немонотонное движение границы двух режимов горения связано с конкуренцией роста нитрида и окисла в обострённом амплитудном поле лазерного излучения, однако, как показывают наши работы, наличие в кинетике нагрева "аномального" скачка II, не всегда связано с высокотемпературным синтезом азотосодержаших соединений на поверхности мишеней. Это особенно ярко проявилось при изучении лазерного воспламенения и горения вольфрама в воздухе . На первый взгляд, нагрев вольфрама лазерным излучением аналогичен нагреву циркония, титана и гафния- такой же предварительный этап нагрева, связанный, по-видимому, с интерференционными явлениями в растущих окислах, а при повышении мощности, начиная с некоторого значения, после интерференционных осцилляции, начинается "аномальный" рост отражательной способности, величина которой увеличивается с ростом Р, однако как показали наши измерения, только до значения 11=0, б, что соответствовало значению отражения неокисленного вольфрама для длины волны ИАГ-лазера. На "замороженной" мишени вся поверхность вокруг зоны облучения, состояла из "игольчатых" кристалликов зеленоватого цвета ( что характерно для \¥Оз ) с малой сцепляемостью с мишенью, тогда как зона облучения, на обеих сторонах мишени, представляла собой тонкую ( по сравнению с толщиной мишени), чистую поверхность металла, без каких-либо поверхностных соединений. Изучение специфики развития этих процессов показывает, что обьяснение лазерного травления вольфрама возможно на основании физической модели предложенного при исследовании воспламенения и горения массивных вольфрамовых мишеней в воздухе под действием одномодового киловатгного С02- лазера и, при этом, были проведены оценки влияния экзотермичности реакций и теплового контакта паров \УО;, и металла на нагрев мишени. Было показано, что при температуре Т=10000 °К ( что вполне реально для низкотемпературной плазмы - факела \УОз ), упругость паров \\Ю3 превышает атмосферное давление воздуха и приводит к прекращению доступа кислорода в зону реакции, Поглощённая при этом лазерная энергия выделяется в самой плазме ( самоэкранировка мишени) и нагрев металлов обусловлен только за счёт теплового контакта плазмы с поверхностью мишени.

Глава VI посвящена лазерному нагреву, воспламенению и горению металлов в жидких средах . В §6.1 анализируются работы по воздействию

и интенсивного лазерного излучения "в жидких средах и обсуждаются физико-химические процессы при лазерном нагреве металлов в «покоящихся» жидкостях. Основное преимущество использования лазерного излучения для нагрева металлов в окислительной атмосфере, по сравнению с традиционными методами ( в печи, индукционный и др. ), является возможность эффективного управления за ходом протекания окислительной реакции на поверхности мишеней, варьированием энергетических параметров выходного излучения лазеров (мощности, энергии импульса, длины волны излучения). Поиск новых "агрессивных" сред, активно влияющих на процесс взаимодействия лазерного излучения с металлами, представляет важную задачу как с точки зрения новизны проявляемых при этом физико-химических процессов, так и эффективного использования в лазерной технологии обработки материалов. По литературным данным, жидкости как химически активные среды для высокотемпературного нагрева металлов не использовались. По-видимому, на это сказывались многие факторы, среди которых основным считается вопрос о канализации лазерного луча к поверхности металлов связанное с тем, жидкая среда являющаяся гораздо плотной чем газовая, более сильно должна рассеивать проходящее через неё излучение, что приводит к дефокусировке и потере лазерной энергии и уменьшению интенсивности светового потока на мишени и, кроме того, также из-за относительно больших плотностей, возрастает доля поглощённой в неё лазерной энергии чем в газовой среде. Более того, в случае жидкостей возрастают и конвективные потери с мишени . Все эти (основные) факторы являлись, на наш взгляд, причиной малого интереса исследователей к использованию жидкостей в качестве химически активных сред для эффективного нагрева металлов. В литературе имеются работы подтверждающие мысль о том, что канализация лазерного излучения через жидкую среду сопряжена большими энергозатратами. Как оказалось, воздействие мощного излучения непрерывного С02- лазера ( Р= 5 квт) на поверхность жидкой среды, сопровождается с образованием пузырькового канала, через которую излучение может проникать к поверхности размещённых на определённой глубине образцов. Для С02-лазера в водной среде в диапазоне ( 0, 5 - 4) 10 вт, глубина канала увеличивалось линейным образом. В других, использованных в опытах жидкостях ( ССЦ, жидкий N2) парогазовые каналы имели неустойчивую форму. Металлографические исследования показали, что взаимодействие парогазового канала с поверхностью металлов в соответствующих средах, может приводить к образованию на поверхности мишеней карбидных и нитридных покрытий, что уже успешно используется в процессах гидролучевой обработки металлов. Однако, большие значения используемых мощностей необходимых для образования парогазовых

каналов снижают практическую применимость и ценность важных результатов из-за малых кпд лазеров. Кроме того , в этой работе, водная среда, хотя обеспечивает образование устойчивых и глубоких парогазовых каналов, для использования в технологии обработки металлов практически не принимается во внимание, тогда как выявление условий эффективного воздействия лазерного излучения с металлическими мишенями в водной атмосфере, имеет существенное значение для распространения технологии обработки материалов на условия подводных работ, что само по себе представляет огромный интерес для прикладных применений лазеров. В наших исследованиях, изложению результатов которых мы переходим, экспериментально показано, что водную среду возможно использовать в качестве химически активной для эффективного нагрева, по крайней мере, тугоплавких металлов, связанным со своеобразным способом активации водной среды, при котором проявляются специфические особенности физических процессов, способствующих эффективному нагреву металлических образцов, что в конечном счёте, оказались обусловленными высокотемпературным окислением и горением мишеней в подводных условиях. В общем случае пузырькообразование свойственно для любых жидкостей . Оно связано с адсорбцией молекул на поверхность мишеней из газовой среды. При нагреве металлов в жидкостях, адсорбированный слой газовых пузырей, размеры которых увеличиваются , отрываются от поверхности мишеней и всплывают к поверхности жидкости. Экспериментально показано, как в результате активного пузырькообразования адсорбированных слоев молекул газа на поверхности металла, в водной среде могут реализоваться условия для эффективного воздействия лазерного излучения в мишень. Изучалось воздействие непрерывного ИАГ -лазера на титановые фольги, расположенных на глубине 30 мм в водной среде, этаноле и жидком азоте. В подводных условиях , с момента воздействия лазера, в зоне облучения наблюдается интенсивное пузырькообразование и спустя через определённое время, возникает контактирующий с фольгой парогазовый пузырь, с характерным размером 2-3 мм, что сопровождается с резким ростом температуры в зоне облучения, определяемого по сигналу с термопары. И с этого момента начинается интенсивное испарение, характеризующимся появлением неустойчивых свечений в виде "искр" в зоне облучения под большим пузырём. Однако, эта последовательность развития процессов не всегда выполняется, к примеру, с момента нагрева лазером может наблюдаться интенсивное мелкое пузырькование, без образования большого пузыря и, при этом, эффективность лазерного нагрева металлов резко снижается. В работе все наблюдаемые особенности развития начальной стадии процессов лазерного нагрева мишеней подробно изложены. Наблюдаемые нами процессы показали, что

для тонких фолы, эффективный нагрев возможен только при наличии над поверхностью мишени, включающей и зону облучения, большого пузыря, Термохимический механизм появления "искр" и образование окисленных зон вокруг отверстия, с размерами порядка контактирующей части большого пузыря с поверхностью металла, по нашему мнению, состоит в следующем. Последовательное изучение этих процессов показывает, что количества кислорода в парогазовой области недостаточна для активации окислительных реакций на поверхности металлов в зоне облучения. На это также указывает и такой опытный факт, что в этаноле и жидком азоте , при наличии поверхностных парогазовых областей, темп нагрева мишеней гораздо медленнее чем в водной среде. Таким образом, в водной среде реализуются дополнительные механизмы повышения концентрации кислорода в парогазовой области в зоне облучения мишеней. На основе анализа полученных данных, мы пришли к выводу, что в случае водной среды, физико-химический механизм эффективности лазерного горения металлов обусловлен термической диссоциацией молекул воды в парогазовой области, в результате которой кислород непосредственно реагирует с металлом в зоне облучения, а молекулы водорода всплывают к поверхности жидкости, что подтверждается экспериментально. Горение тугоплавких металлов убеждает в реальности предлагаемого термохимического механизма эффективности нагрева мишеней в подводных условиях, так как термическая диссоциация паров воды начинает происходить при температурах выше 1000°С. Окисленность металла вокруг зоны облучения, по-видимому связана с режимом теплопередачи между нагретой мишенью и водной средой. За пределами большого пузыря, тепловые потери с мишени обусловлены как конвекцией так и теплопередачей за счёт излучения, тогда как внутри пузыря конвективные потери практически отсутствуют, что обуславливает большой температурный градиент на границе контактирующей областью пузыря с мишенью. Следовательно, радиальное распределение температуры на поверхности металла внутри пузыря определяется лишь теплопроводностным механизмом передачи тепла в образце, что и формирует размеры окисленной зоны. В §6.2 предлагается способ эффективного нагрева металлов в подводных условиях и предложены термохимические механизмы его объяснения. При нагреве "толстых" мишеней ( А1=2-3 мм), как оказалось , процессы их нагрева имеют свою специфику по сравнению с тонкими фольгами (Д1= 60 мкм). Здесь также проявляются режимы мелкого пузырькообразования и образование больших пузырей, однако, если при облучении тонких фольг, началу сверления предшествует появление неустойчивых свечений в зоне облучения, после которой сверление их происходит практически мгновенно, то для "толстых" мишеней в обеих режимах наблюдается

появление устойчивого (визуально), стационарного разряда, сопровождающегося характерным низкочастотным звуком. Мишени прогорают спустя некоторое время после образования этого факела горения. Нами изучена специфика развития этих процессов. Имеются два явных фактора, обуславливающие существенные потери лазерной энергии в парогазовой области: рефракция излучения от поверхности пузыря и растущее с глубиной смещение фокальной плоскости в воде по отношению к её начальному положению, устанавливаемому в пустой кювете. Потери мощности лазерного излучения из-за поглощения в жидкости на пути распространения, можно уменьшить, используя световоды, а рефракцию и смещение фокальной плоскости, как оказалось, можно воздействием водяной струи в зону воздействия лазера, Казалось бы, что мы разрушаем эффективный механизм нагрева мишеней в подводных условиях и этот способ противоречит к вышесказанным выводам. Но тем не менее, наши опыты показали , что использование водяной струи (при оптимальной скорости прокачки) с совместным воздействием лазерного излучения повышает эффективность обработки металлов в подводных условиях на 2-3 порядка по сравнению с "покоящейся" средой, но для этого действие прокачки струи нужно включить только при наличии парогазового колокола и появления стационарного оптического разряда, контактирующего с поверхностью мишени в зоне облучения, что связано с необходимостью локального нагрева мишени до температур, по крайней мере не ниже значений температур инициирующих термическую диссоциацию водяных паров. Все эти явления и другие специфические особенности проявляемых при этом эффектов, достаточно хорошо описываются на основе предлагаемых моделей взаимодействия лазерного излучения с металлами в жидких средах.. В §6.3 исследована специфика проявления процессов при воздействии импульсного и импульсно-периодического лазерного излучения на металлы в жидких средах. . В отсутствии прокачки воды, после первого импульса над поверхностью мишени формируется парогазовый колокол, причём в зависимости от энергии импульса, образование и развитие пузыря имеет свои особенности. При малых Еи (1-2дж) до 10-15 импульсов, пузырь имел размеры 2 мм в первом импульсе, последовательно медленно расширяясь с каждым последующим и достигал некоторого стационарного размера 3-4 мм, который практически, до разрушения мишени, не менялся, а только испытывал возмущение затухающее, как показала скоростная киносьёмка , за время 0, 03-0, 04 с и сохранял, тем не менее, контакт с металлом. После установления такого "устойчивого состояния пузыря , в каждом последующем импульсе во время её действия, в зоне облучения наблюдаются слабые всплески свечения ("искры"), которые становятся всё более интенсивнее и

образующим факел горения перед просверлением мишени . С увеличением энергии импульса до 10 дж, размеры парагазовой области также увеличиваются до 5-6 мм, форма которой вытянута в направлении падении излучения и испытывающий более сильное возмущение по сравнению с малыми Еи, но также без потери контакта с образцом. Имеется пороговое значение энергии импульса ЕПОр, до которого эффективность нагрева металлов в струйном режиме выше , чем в «покоящейся» жидкости, а при Е > Епор эффективность нагрева мишеней в "покоящейся" жидкости возрастает. Далее предлагаются физические модели интерпретаций этих процессов.

В заключении приведены основные результаты и выводы диссертации

1. Разработана методика и проведены комплексные экспериментальные исследования кинетики нагрева, воспламенения и горения металлов лазерным излучением в газовых и жидких средах , в зависимости от условий нагрева, теплофизических свойств металлов, физико-химического состояния их поверхности и химической активности компонент сред. Экспериментально исследованы специфические особенности и предложена физическая модель окисления металлов непрерывным лазерным излучением с учетом интерференционных явлений в окисных слоях. Предложен метод определения мощностей падающего излучения , при которых нагрев мишени в воздухе до температур активации окисления и плавления осуществляется с минимальными затратами лазерной энергии. Показано, что в оптимальном режиме возможно значительное снижение энергозатрат на нагрев мишени непрерывным лазерным излучением за счёт эффективного использования окислительного механизма изменения поглощательной способности слоистой системы "металл+окисел".

2. Впервые реализован режим глубокого окисления металла непрерывным лазерным излучением. Экспериментально определён диапазон мощностей лазерного облучения реализации режимов "медленного" (глубокого) нагрева металлов , приводящего к образованию толщин окисных плёнок ~85 - 100 мкм, при которых, из-за низкой теплопроводности оксида , происходит перегрев поверхности, достаточный для локального (обострённого) профиля проплавления и ускоренного переноса реагентов в центральной зоне облучения. В результате расплав глубоко проникает в металл приводя, к его сквозному окислению.

3. Впервые исследованы процессы окисления металлов при нагреве импульсно-периодическим ( ИП ) лазерным излучением. Показано, что ИП режим нагрева металлов в воздухе ,при плотностях светового потока в

импульсе недостаточных для инициирования низкопорогового пробоя газа, более эффективен чем непрерывный режим при одинаковых средних мощностях лазеров, что связано с локальным разогревом зоны облучения в импульсе до температур выше температур активации окисления и эффектом накопления. Предлагается физическая модель, обьясняющая специфику чисто окислительного механизма эффективности лазерного нагрева металлов в этом режиме по сравнению с непрерывным .

4. Впервые изучены особенности низкопорогового пробоя газов вблизи мишеней в ИП режиме облучения. Показано, что в зависимости от условий опытов имеется нижнее пороговое значение частоты следования импульсов, начиная с которого наблюдается движение границы пробоя воздуха навстречу лазерному лучу от импульса к импульсу , что связывается со спецификой развития плазмы пробоя в смеси паров мишени и воздуха. Исследовано влияние плазмы пробоя воздуха и окислительных реакций происходящих на поверхностях мишеней на температурную зависимость их поглощательной способности. Показано, что при поджигании плазмы пробоя воздуха вблизи мишени, на начальной стадии нагрева ИП режим более эффективен чем непрерывный , при одинаковой средней мощности лазеров. Это обусловлено более высоким значением начальной поглощательной способности Ао в присутствии плазмы по сравнению с непрерывным или "беспробойным" ИП режимами воздействия. Обнаружено, что при нагреве мишеней снижается порог пробоя воздуха излучением импульсио-периодического лазера вблизи мишеней. Проведено сравнение кинетики нагрева металлов в воздухе излучениями непрерывного и ИП лазеров.

5. Изучены особенности процессов лазерного воспламенения и горения металлов в воздухе. Предлагается физическая модель этих явлений с учётом окисления металла по паралинейному закону и истинного изменения поглощательной способности в системе "металл+окисел" , на основе которой объясняются термохимические механизмы вынужденного и самоподдерживающего режимов горения металлов и процессов совместного воздействия на них излучений непрерывного и импульсного лазеров.

6. Впервые реализован режим газофазного лимитирования и экспериментально определены условия, при которых нагрев непрерывным излучением ИАГ - лазеров в воздухе ряда тугоплавких металлов в воздухе, приводит к высокотемпературному синтезу азотосодержащих соединений на их поверхности. Впервые обнаружены пространственные колебания размеров зоны диффузионного горения металлов под действием лазерного излучения в воздухе.

7. Обнаружено, что особенности высокотемпературного лазерного окисления вольфрама , могут приводить к реализации режима , когда

большая плотность летучих окислов металла служит диффузионным барьером для поступления кислорода в зону облучения, в результате которого травлению подвергается свободная от окислов поверхность металла. Экспериментально выявлен оптимальный диапазон мощностей облучения, когда время образования сквозного канала металла минимально и показано, что в этом режиме увеличение мощности не приводит к росту температуры и ускоренному травлению мишени.

8. Впервые изучены особенности физико-химических процессов при нагреве металлов излучениями непрерывного и импульсно-периодического ИАГ- лазеров в различных жидких средах. Показано, что общим для всех жидких сред при воздействии лазерного излучения на мишень , является образование на ее поверхности парогазовой области, состав которой и процесс распространения луча сквозь неё , в целом, определяют эффективность нагрева образцов. Обнаружено, что нагрев мишеней в подводных условиях более эффективен чем в других использованных в опытах жидких средах. Показано, что этот эффект обусловлен интенсивной "генерацией" кислорода в зоне облучения мишеней в парогазовой области - из-за термической диссоциации молекул паров воды на молекулы кислорода и водорода и, при этом, кислород непосредственно реагирует с металлом, что в конечном счёте, приводит к разрушению металла в режиме воспламенения и горения при высокотемпературном окислении .

9. Впервые предлагается метод повышения эффективности нагрева тугоплавких мишеней в подводных условиях. Обнаружено, что подача водяной струи в зону облучения мишеней под водой приводит к более эффективному воспламенению образцов , и при этом, время прогорания термически тонких пластин тугоплавких металлов снижается на 2 - 3 порядка по отношению к "покоящейся" жидкости, и становится короче даже чем в воздухе. Предлагается физическая модель обьясняющая закономерности наблюдаемых явлений.

10. Впервые обнаружено и предложено обьяснение экспериментальному факту наличия порогового значения энергии импульса Еи , до которой эффективность нагрева металлов в струйном режиме выше чем в "покоящейся" водной среде, а при Е > Еи число импульсов N необходимых для прогорания мишеней, в обеих случаях сравниваются, а при дальнейшем увеличении энергии импульса эффективность нагрева в «покоящейся» жидкости становится выше.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах :

1. Arzuov M.I., Gainullin В.I., Djumabekov J.I., Ubaidullaev S.A. Characteristic properties of heating processes of Copper target in oxidizing atmosphere by laser radiation with X=l.06 pm // Chem. Physics Letters,-1999.- V 314 .-P.367-370. (North Holland).

2. Арзуов М.И., Барчуков А.И., Бункин Ф.В., Кириченко Н.А., Конов В.И., Лукьянчук Б.С. Особенности лазерного нагрева окисляющихся металлов в воздухе при наклонном падении излучения. // Квантовая электроника,-1979.-Т. 6., N.10.-С.2232-2235 .(Москва).

3. Арзуов М.И., Карасев М.Е., Конов В.И., Костин В.В., Метев С.М., Силенок А.С., Чаплиев Н.И. Исследование поглощательиой способности металлических мишеней, облучаемых импульсно-периодическим С02 - лазером в воздухе. // Квантовая электроника ,-1978 .-T.5.-N.7.-C.1567-1575. (Москва)

4. Arzuov МЛ., Gainullin B.I., Djumabekov J.I.,Ubaidullaev S.A. Laser Analog of High Temperature Isothermic Oxidation of Metals. // Chem. Physics Letters ,-1999. -V. 314. -P.161-165. (North Holland).

5. Арзуов М.И., Бородатов С.А., Бузыкин О.Г., Бурмистров А.В., Коган М.Н., Конов В.И., Михайлеску И., Попа А., Попеску М., Прохоров A.M., Ральченко В.Г., Урсу И., Чаплиев Н.И. Синтез азотосодержащнх соединений при воспламенении циркония в воздухе. // Поверхность ,-1985.- N.5.- С. 130-139. (Москва).

6. Arzuov M.I., Borodatov S.A., Buzykin O.G., Burmistrov A.V., Kogan M.N., Konov V.I., Mihailesku I., Popa A., Popesku M., Prokhorov A.M., Ralchenko V.G., Ursu I., Chapliev N.I. Synthesis of Nitrogen-Containing Compounds upon Ignition of Zirconium in Air. // Phys. Chem. Mech. Surfacts,-1986.- V. 4. -P.1540-1560. (USA ).

7. Арзуов М.И., Бородатов C.A., Конов В.И., Ральченко В.Г. Колебания размеров зоны диффузионного горения металлов под действием лазерного излучения. // Краткие сообщения по физике,-1986,- N.7.- С.7-9. (Москва).

8. Арзуов М.И., Джумабеков Ж.И., Конов В.И., Ральченко В.Г., Чаплиев Н.И. - «Лазерное травление вольфрама в воздухе».// Краткие сообщения по физике,-!987.-N.9.-C.22-24. (Москва).

9. Арзуов M.И., Джумабеков Ж.И., Конов В.И., Рапьченко В.Г., Чаплиев Н.И., Щуб В.Э. - Лазерное сверление металлов под водой. // Письма в ЖТФ,-1987 -Т. 13,- вып.17. - С.1055-1058. (Ленинград).

10. Arzuov M.I., Gainullin B.I., Djumabekov J.I., Ubaidullaev S.A. Thermochemical mechanisms of efficiency оf laser radiation effect on metals in aqueous médium .// J.Chem. Physics,-1999.- V. 112.- N. 12, P.5102-5107. (USA)

11. Арзуов М.И., Джумабеков Ж.И., Конов В.И., Ральченко В.Г., Силенок А.С., Чаплиев Н.И. Подводная лазерная резка металлов. // Физ. и хим. обраб. матер. .-1989.-N.3.- С.136-140. (Москва).

12. Арзуов М.И., Бородатов С.А., Бузыкин О.Г., Бурмистров

A.В., Конов В.И.. Ральченко В.Г., Чаплиев Н.И. Особенности нагрева тугоплавких металлов ИАГ-лазером в воздухе// Тез. докл. Всес. совещ. Выс.-темп. проц. на гран. разд. «Твер.тело-газ» ,-Звенигород, -1984, апр.8-12.-С.112.

13. Арзуов М.И., Джумабеков Ж.И., Конов В.И., Ральченко

B.Г. Лазерное травление металлов в воздухе //Тез. докл. Vl-ой Всес. конф. по вз. опт. изл. с вещ.,-Ленинград.-1988.,март 14-18 .- С. 284.

14. Арзуов М.И., Джумабеков Ж.И., Конов В.И., Ральченко

B.Г. Силенок А.С., Чаплиев Н.И. Взаимодействие непрерывного лазерного излучения с металлами под слоем жидкости // Тез.докл.Vl-ой Всес. конф. по вз. опт. изл. с вещ. -Ленинград,-1988. март 14-18 .-

C.453.

15. Арзуов М.И., Джумабеков Ж.И., Ральченко В.Г. -Обострение температурного профиля в процессе глубокого окисления меди под действием ИАГ - лазера.// Тез. докл. VII-ой Всес. конф. по вз. опт. изл. с вещ., -Ленинград,-1990. сент.6-11.- С.119.

Металларнинг газсимон ва суюк мухитларда лазер таъсирида кизиши, апангаланиши ва ёниши Арзуов М.И.

К,искача мазиуни

Ушбу иш газсимон ва суюк, мухитларда кучли лазер нурининг металларга таъсири натижасида юзага келувччи гетероген жараёнларнинг ривожланиши умумий конуниягларини тадкик килиш хамда бу жараёнларини бошкариш усулларини топишга багишланган.

Турли ишчи холатлар (узлуксиз, импульсли ва импульсли-даврий)даги лазер таъсирида тажриба параметрлари (ё рунт к окими зичлиги, нурланиш тулклн узунлиги, мухит тури ва унинг таркибий клсмларининг кимёвий фаолликлари иисбатлари, металл турлари ва улар сиртининг физик-кимёвий холати)иинг кенг сохасида юзага келувчи термо-кимёвий жараёнларнинг узига хос хусусиятлари урганилиб, бу эса сирт жараёнларининг амалга келиш иссиклик механизмлари, металл сиртида борувчи юк,ори хароратли синтезнинг охирги махсулотларининг оптик хусусиятларига ботик, булган металл иишонларига лазер энгергиясининг юборилиши хусусиятларига мухитларнинг таъсири ва уларнинг ролини аникдаш ва туликрок. изохдаш борасидаги тажриба натижаларинииг камчиликларини (адабиётлар буйича) тулдирувчи сифатида хизмат килади. Бунда нишонлар юзасида вужудга келувчи термо-кимёвий жараёнларнинг янги физик конуниятлари аникланиб, бу к.онуниятлар газ ва суюк, мухитларда интенсив ёруглик окимининг метаплар билан узаро таъсир механизмига атроф-мухитнинг фаол таъсир килишига сабаб булади.

«Квазибаркарор» киздириш холатида металларга лазер нурининг таъсири уРганилаётганда нишонни нурлаитириш сох,асида харорат профилининг кучайиши кузатилди, бу эса юкори калинликдаги оксид к,атламининг хосил булишига хамда оксидларнинг кам иссикдик утказувчанлиги марказий нурлаитириш сохасида реагентларнинг локал суюкланиши ва тез силжиши учун етарли булган сирт кизишига олиб келади. Натижада суюкданма металлга чукуррок, сингиб, унинг тиркишли оксидланишини юзага келтиради.

Импульсли-даврий лазер таъсирида газларнинг нишон яцинида к,уйи чегарали ёриб утишининг ривожланиши урганиш натижалари шуни курсатдики, тажриба шароитларига боглик, холда импельслар такрорийлигининг куйи к,иймати мавжуд булиб, ушбу к,ийматдан бошлаб хдвонинг ёриб кириш чегараси лазер нурига к,арама-карши холда импульсдан-импульсгача узгариб туради. Куринишидан, бу нишон буглари ва хаво молекулалари аралашмасида плазманинг ёриб кириш жараёнининг ривожланиш хусусиятларига боглик,. Ёриб кирувчи хаво ллазмасининг ва металл нишонлари сиртида борувчи оксидланиш реакцияларининг нишонларнинг самарали нур ютиш кобилиятининг хароратли богликлнгига ва лазер нурининг импельсли-даврий таъсири осшда х,авонинг ёриб кириш чегарасининг нишон якинида пасайишига олиб келувчи жараёнлар урганилди.

Узлуксиз, импульсли лазер хамда ёнишининг мажбурий ва уз-узини сакдаб турувчи режимларини тушунтирувчи физик модель таклиф зтилди. Хаво металл нитрид (оксинитрид)лари хосил булишига сабаб нишоиларни к,издириш жараёнида к,иск,а муддатли янги фазаларнинг \осил булиши, металларнинг бекарор хавода спиши, махсулотларининг ташхиси эса катламлилик «металл-оксид» тизимининг нурни акс эттириш кобилиятининг номутаносиб узгаришини оптик усуллар ёрдамида к,айд этиш о р к, ал и амалга оширилиши курсатиб берилди. Кдтламли «металл-оксид» тизими барча к,яйин суюкланувчан металларга хос булмай, балки баъзи х,олларда эса турли нурни акс эттириш кобилиятининг аномал тарзда усиши оксидлардан холи металл сиртининг лазер таъсирида захарланиши билан изохданади.

Турли тулк,и н узунликдаш узлуксиз нурларнинг биргаликдаги таъсири усули шуни курсатдики, нишонни нурлантириш сохасидаги нитрид доглари улчамларининг узгариб туриши нитрид ва оксидларнинг лазер нурининг турлича хароратли майдонидаги ракобати туфайли металларнинг кинетик ва диффузион ёниши чегараларининг номутаносиб харакати билан тушунтирилади.

Суюк, мухитларда металларнинг кизиши натижасида юзага келувчи иссикдик жараён - бу металл сиртларида буггаз сохалари (пуфакча-лар)нинг хосил булиш жараёни булиб, пуфакчалар атмосфераларининг таркиби ва улар оркали нур таркалиши жараёнлари умумий холда намуналарнинг к,изиш кинетикасини белгилайди. Шунингдек, нишоннинг кизиши тажрибада сув кулланилганда текширилган бошкд суюкдикларга нисбатан самаралирок экан, бу нишонларни нурлантиришида буггаз сохасида сув бугларининг кислород ва водород молекулаларига термик парчаланиши окибатида амалга ошувчи кислороднинг интенсив «генерациясига» боглик булиб, кислороднинг металл билан бевосита таъсири юк,ори хароратли оксидланиши, сувли мух,итда нишоннинг алангаланиши ва ёнишига олиб келади.

Сув остидаги нишонни нурлантириш сохдсига сув окимининг юборилиши намуналарнинг самаралирок, алангаланишига олиб келади хамда бунда термик юпка кийин суюкланувчи металл катламларининг ёниш вакти «тинч турган» сувга нисбатан 2-3 тартибга пасаяди ва хатто хаводагига нисбатан х,ам кискариб, сув окими биринчидан, пуфакчаларни узи билан бирга олиб кетади ва шу билан биргаликда пуфакчалар чегарасидаги нурланиш рефракциясини камайтиради хамда лазернинг нишонга таъсири сохасидаги ёруглик ок,иминннг интенсивлигини устиради ва иккинчидан, суюкданмани нурлантириш худудидан олиб кетади ва шу билан биргаликда намуналарнинг оксидланиш тезликлари борасидаги диффузион чекланишларни металларни газ-лазер л и кесиш Холатидагига нисбатан кучсизлантиради. Металларга сувли мух,итда лазер нури импельсли-даврий таъсири тажриба натижалари келтирилди ва бу жараёнларнинг узлуксиз лазер ёрдамида киздирилишига нисбатан узига хос хусусиятлари мухокама этилди.

Laser heating, inflammation and burning of metals in the gas and liquid medium.

Arzuov M.I.

Abstract

The investigation of general rules of heterogeneous process development and the search of control methods during interaction between power laser radiation and metals in the gas and liquid medium are reported in the work.

The specific of thermo-chemical processes during heating, inflammation and burning of metals in the gas and liquid mediums, stimulated by laser radiation with different work regimes (continuous, impulse and impulse periodical) in wide range of experimental characteristic changing (light density, length of radiation, kind of medium and ratio of chemical component activities, metal kind and physical and chemical state of their surface) are studied. It fills gap in the lack of experimental data ( presented in literature). It clears up the whole understanding of heat mechanism of surface processes, of medium active role and influence on the rate of laser power lead in metal's targets, caused by optical properties of the final products at high temperature synthesis of surface metal. The new physical rules of heterogeneous processes on target's surface, making for active influence of medium on the mechanism of interaction between intensive light beam and metals in the gas and liquid medium are showing up.

During investigation of continuous laser radiation influence upon the metals in regime of "quasi-stationary" heating , the temperature profile sharpening is observed in the zone of target irradiation. This leads to the creation of oxide films with large thickness. Than surface over heating, caused by low thermal conductivity of the oxides and enough for the local melting and accelerating transfer of reagent takes place. As a result the melting is deep penetrating into metal, leading it through oxidation.

Studies of the specific of low threshold gas break near to the targets in the impulse periodical laser effect have represented that in depends on experimental condition the threshold frequency value of the impulse consecutive takes place. Than a bound movement of air break toward laser beam from impulse to impulse is observed. It is connected with the specific of plasma break development in the mix of target's steam and air's molecules.

The influence of plasma air break and oxide reactions have being occurred on the metal target surfaces on temperature dependence their absorb capability and on the processes promoted the decreasing in threshold air break near targets at impulse periodical laser radiation effect is studied.

The physical model is presented. Using in the thermo-chemical mechanisms of forced and self supported regimes of metal burning in air at the irradiation of continuous, impulse lasers and also at the their combine effect are

explained. It the represented that metal nitrid (oxinitrid) in air is short time appearance of new phase during target heat processes. As non-stable product of metal burning in the air it's diagnostic is possible by optical methods registration of non-monotonous changing of reflective capability of laminated system "metal+oxide". However it is not fair for all refractory metals. So in some cases the anomalous growth of reflective capability has been caused by laser etching on metal's surface which oxide free. It is showed that using combine method of the influence of continuous radiation with different wave length, the space oscillations of nitrid spot size in the zone of target irradiation are caused by non-monotonous bound movement of the kinetics and diffusion metal burning . And competition between growth nitrid and oxide in non-homogenous temperature laser radiation field is influenced also.

At the influence of continuous laser radiation on the metals be the investigation of therno-physical processes at the metal heating in liquid medium have represented that the general process is the creation of the steam gas range (bubble) on their surface. The component of atmosphere in bubble and the process light transfer though them determine the heat sample kinetics. It turned out that target heating in underwater conditions is more effective than in other liquid used in experiments. It is connected with intensive "generation" of oxyden in the zone of target irradiation in steam gas range because of thermal dissociation of water steam into oxygen and hydrogen molecules. It is known that direct reaction oxygen and hydrogen lead to target inflammation and burning in the water medium. The water stream supply into zone of target irradiation underwater lead to more effective inflammation of samples an the time of burning through of thermal thin plate of refractory metals decreases to 2-3 degree compare with "calm" water. It is even shorter than in air. It is connected with that at first, the water stream takes of the bubbles and thus it decreases the radiation refraction from their bound and increases the intensity of light beam in the zone of laser irradiation on the target. Secondly, it takes off the melting form irradiation zone and thus it weakens the diffusion limits of oxide sample rate as in case of gas laser metal cut. The experimental results of influence the impulse periodical laser radiation on the metal in the water medium are reported. The specific of these phenomena compared with heating by continuous laser is discussed.