2010
Содержание >
Введение............................................................ 3
1 Анализ современного состояния условий формирования оксидных структур............................................................ 9
1.1 Окисление металлов под влиянием термического воздействия.... 14
1.2 Термодинамические условия образования оксидов металлов 16
1.3 Структура, состав и свойства оксидов металлов................ 19
1.4 Исследования окисленной поверхности металлов................. 25
1.5 Особенности лазерного нагрева металлической поверхности.... 45
1.6 Теоретические основы лазерного окисления металлов............ 47
1.7 Структура материала в области лазерного воздействия.......... 55
2 Оборудование, материалы и методика предварительных исследований 61
2.1 Оборудование................................................. 61
2.2 Выбор материалов для исследований......................... 70
2.2.1 Оценка термодинамической возможности самопроизвольного протекания окислительных реакций компонентов сплавов 71
2.2.2 Характеристика материалов................................. 79
2.3 Методика проведения эксперимента.............................. 80
2.4 Анализ воздействия лазерных импульсов на металлическую поверхность при различных технологических режимах................ 81
3 Разработка методики формирования-многоцветного изображения
под воздействием лазерного излучения на различных материалах 92
3.1 Обоснование выбора теплофизических характеристик для создания физико-математической модели техпроцесса формирования цветового изображения на металлической поверхности при ее лазерном облучении............................................... 92
3.2 Разработка рабочей модели взаимосвязи технологических параметров лазерной установки и теплофизических свойств металла с цветовыми характеристиками формируемых структур................ 99
3.3 Анализ условий прочности сцепления системы оксид-металл 104
4 Исследования поверхностных структурных и цветовых характеристик формируемых оксидных систем на поверхности металлов под воздействием импульсов лазерного излучения........................ 109
4.1 Исследование микроструктур, химического и фазового составов сформированных оксидных структур.............................. 110
4.2 Исследование химических свойств, геометрических параметров и конфигурации оксидных структур с определенными цветовыми характеристиками.............................................. 116
5 Апробирование лазеров различной конфигурации и мощности для формирования многоцветных изображений на поверхности металлов.. 122
6 Примеры реализации результатов исследований..................... 133
Выводы............................................................ 139
Заключение........................................................ 141
Библиографический список.......................................... 143
2
/
Приложение..................................................... 152
З
Это явление объясняется, как собственным цветом оксидов, так и эффектом интерференции при образовании полупрозрачной оксидной пленки.
1.1. Окисление металлов под влиянием термического воздействия
Термическое окисление железа, как наиболее используемого конструкционного материала, представляет несомненный теоретический и практический интерес. Хорошо известно, что железо и железные сплавы при нагревании покрываются тонкой пленкой оксидов железа самых разнообразных цветных оттенков -так называемых «цветов побежалости» [9-16].
Явление цветов побежалости основано на том, что на омываемой воздухом поверхности металла образуется просвечивающая пленка оксидов, которая по мере последовательного наращивания принимает в спектральной шкале видимого диапазона, так называемые, «цвета тонких пленок». Толщина плёнки зависит от степени нагрева стали - плёнки разной толщины по-разному отражают световые лучи, чем и обусловлены те или иные цвета побежалости. 11а легированных сталях те же цвета побежалости появляются при более высоких температурах. На цвета побежалости влияют также время выдержки стали при данной температуре, освещение и другие факторы [11-38].
Обычно определенные цвета побежалости относят к определенным же температурам нагрева. Часто приводятся даже цифры температур, соответствующих всей гамме этих цветов. Примерная зависимость цветов побежалости от температуры нагрева представлена в таблице 1.1.[ 10]
Таблица 1.1. Таблица цветов побежалости
1,°с Характеристика цвета по различным источникам Параметры цвета
я в В
200 светло-соломенный, чуть желтый 238 221 130
210 бледно-желты й
220 бледно-желтый, светло-желтый, яркий соломенно-желтый
225 светло-желтый 255 255 224
230 бледно-соломенно-желтый, желтый, соломенно-желтый 255 255 0
240 темно-желтый, соломенно-желтый 255 168 18
245 темно-соломенно-желтый 184 134 И
246 золотисто-желтый 255 215 0
250 темно-желтый 255 168 18
255 коричневый, коричнево-желтый, желто-бурый 128 42 42
256 коричнево-желтый, буро-красный П Г 1
14
260 буро-желтый
265 коричнево-красный, красно-коричневый, пурпурно-красный
270 пурпуровый
275 пурпурный, пурпурно-красный 160 32 240
276 пурпурный 1
280 лиловый 199 21 133
282 ярко-пурпурный 1
285 фиолетовый 143 94 153
287 ярко-голубой (слегка) 1
290 голубой, темно-синий 0 0 255
293 ярко-голубой (полностью) 1
295 васильковистый, ярко-синий 0 0 128
300 индиго, темно-синий 8 46 84
305 глянцево-голубой 1
310 темно-синий, светло-синий 25 25 112
315 темно-голубой 72 61 139
320 цвет морской воды, светло-синий 18 10 143
325 светло-синий, серый 1
330 серый 127 127 127
350 синевато-серый
400 светло-серый 211 211 211
Примечание. Цвета подобраны ориентировочно, т.к. указанные цвета отсутствуют или при-:утствуют не полностью в цветовой палитре системы ЯОВ. Имеющиеся в палитре цвета указаны кодом 1ОДВ.
Строгого совпадения во всех встречаемых данных (и в обозначении цветов,
и в фиксировании температур) искать не приходится. Ведь качественная оценка цвета - дело чисто субъективное. Главное существенное влияние на цветовую характеристику оксидной пленки оказывает продолжительность нагрева, состав сплава и структура поверхности [12-23]. Значительно сказывается загрязненность поверхности металла, степень ее гладкости или шероховатости и т. п.
Появление интерференционных цветов оксидных пленок представляет собой не только интересное оптическое явление, но и являются своеобразным индикатором толщины пленок. В кислородной атмосфере при обычных температурах цветов побежалости не наблюдается, т.к. оксидная пленка становиться практически непроницаемой для молекул кислорода прежде, чем пленка вырастет до толщины, необходимой для появления интерференционных цветов.
При повышении температуры появляются яркие цвета вследствие температурного роста оксидных пленок. Последовательность цветов, вызванная утолщением пленки, представлена в таблице 1.2.
15
- Київ+380960830922