Изменения отражательной способности можно подразделить на две стадии

В данной работе приводятся результаты экспериментов по изучению процессов воспламенения и горения тугоплавких металлов IY A-подгруппы (гафний, титан) под действием непрерывного излучения установки ЛТН-102А (λ=1,06 мкм) с плавно регулируемой мощностью от 10 до 120 вт. Отметим сразу, что эти кривые в целом аналогичны нагреву циркония. Как и для Z_z, изменения отражательной способности можно подразделить на две стадии; первая из которых связано с интерференцией излучения в растущей окисной пленке, а вторая-аномальное увеличение R обусловлено входом в режим газофазного лимитирования и выходом из него. Действительно "замораживание" струй аргона в момент с максимума отражения излучения показывает образование в зоне облучение соединение "золотистого" цвета-нитрида гафния (см отчет). Для выявления последовательности фаз окислов в динамике нагрева гафнии, были поставлены опыты по "замораживание мишеней из Z_z в различных точках кривой R(t) при одинаковых условиях воздействия излучения на металл (Рис.1.4 и образцы № 1,3,2,7,5,19,17,91,7). Из анализа поведения R(t) при различных уровнях падающей на мишень мощности излучения вытекает важный вывод: не всегда воспламенение (быстро включение экзотермических реакция) приводит к образованию нитрида. Другими словами, воспламенение необходимое но не достаточное условие, входа в режим газофазного лимитирования. Иллюстрацией этого положения является изменение отражательной способности при малых P (Рис. 1.2 - 1.3). Хотя при этом визуально наблюдается резкое увеличение светимости поверхности металла, но тем не менее при охлаждении гафния в момент его воспламенения на поверхности его нет нитридной фазы. Поверхностное соединение "золотистого" цвета выявляется в наших опытах при Р = 40 Вт и выше (Рис. 1.2 - 1.3) при" замораживании" в максимуме аномалии отражения; причем чем больше мощность облучения тем больше R_max.
Начало резкого увеличения R соответствует началу воспламенения. При больших мощностях величина превышает начальное значение отражательной способности мишени. Следует отметить, что различие для гафния обусловлено использованием мишеней с необработанной поверхностью. Чистота мишеней, как обычно, определяет начальный темп нагрева и кроме того на четкость получения осцилляций отражательной способности а на ход аномального изменения не влияет. Поэтому предварительной обработки поверхности мишени не велось.
Как и в случае циркония, дальнейший нагрев приводит к исчезновению HfN (точки j, u, k обр.№18,91,7) но без пространственных колебаний нитридного пятна (возможно здесь оказалось инерционность регистрирующего прибора). Температура воспламенения гафния Т=1200-1300°С. Все эти данные подтверждает справедливость применение модели газофазного лимитирования для гафния.
Однако для третьего металла побочной IY подгруппы титана использование этой модели требует, по-видимому, дополнительных экспериментальных данных. На рис 1.5 представлены характерные кривые T(t) и R(t) для титановой мишени при высоких мощностях (отмечены точки "замораживания" аргоновой струей Б.3.Г). Можно видеть полную идентичность изменение температуры и поведения отражения для титана с гафнием и цирконием. Более того, при охлаждении аргоном вблизи на поверхности мишени в зоне облучения видно соединение также "золотистого" цвета которое казалось бы можно трактовать как нитрид титана.
Однако, справочные данные по окислам титана указывают, что при температурах близким к регистрируемым в наших опытах, могут быть три окисла аналогичного цвета β-TiO₂ u γ-Ti O₂, Естественно, можно было "различить" по значением коэффициентов поглощения на данной длине волны (λ=1,06 мкм). Однако, мы не смогли этого сделать из-за отсутствия таких данных. В связи с этим представляется интересным работа где исследовались кинетика окисление титановой фольги под действием непрерывного излучения СО₂ -лазера. Для выяснения последовательности фаз окислов, осуществлялось регистрация изменения зондирующегося более коротковолнового излучения (λ=0,63мкм).
На начальном этапе нагрева наблюдались осцилляции уменьшающейся амплитуды, что указывало на образование толстой защитной окисной пленки, а затем, происходило резкое увеличение отражательной способности на этой длине
Волны (на приведенном рисунке в этой работе показан только начальный в сплекс R). При этом указывается, что этому моменту соответствует резкое увеличение температуры и тем самым и скорости окисления. Смена закона окисления, по мнению авторов, обусловлено растрескиванием окисной пленки, вызванное возникшими термонапряжениями. Резкое увеличение совпадало с началом вынужденного воспламенения (здесь Т_в=800°С когда в наших опытах Т_в значительно больше Т_в >14000°С ) и указывало на происходящую в этот момент перестройку окисла. Было предложена следующая трактовка происходящих явлений: значительное увеличение отражения соответствует образованию рыхлого монокристаллического слоя двуокиси титана, многократное рассеяния света в котором и приводит к росту коэффициента отражения. В этом можно убедиться, обрывая нагрев образца перед и после воспламенения: непосредственно перед воспламением в центре темной окисленной зоны появляется белесоватый налет двуокиси титане: после воспламенения на поверхности образца образовался толстый, легко окислаивающийся слой двуокиси титана белого цвета (см. отчет за II этап).
Рассмотрим снова наши экспериментальные данные. Выше, полученные соединение на поверхности титана, после "замораживания" в момент всплеска мы не могли классифицировать как азотосодержащее из-за большой возможности образование окислов TiO; β-Ti0₂ и j-TiO₂ имеющий аналогичный цвет. Но теперь после обсуждение полученных наших данных и результатов других работ позволяют о большой вероятностью трактовать эти поверхностные соединение как TiN . Это означает, что в отношении титана в воздухе справедлив режим газофазного лимитирования и на возможность такой трактовки указывает следующая качественная модели процессов лазерного воспламенения тугоплавких металлов в воздухе по крайней мере для элементов IУ подгруппы. Они вытекает из рассмотрения и анализа наших экспериментальных данных и работ по изучению этих процессов и основана на следующих положениях:
1.При нагреве мишеней в воздухе имеется некоторая пороговая мощность Р_пор выше которой начало воспламенения металла соответствует режиму газофазного лимитирования и образованию нитрида а при Р< Р_пор воспламенение не приводит появлении нитридной фазы.
2.Значением Р= P_пор разделяются области "быстрого" и "медленного" нагрева металлов в воздухе в отношении входа в режим газофазного лимитирования. При этом при P > Р_пор скорость реакции достаточно для синтеза нитрида а при Р < Р_пор происходит образование окислов металла.
3.Воспламенение металла является необходимым условием режима газофазного лимитирования но недостаточным. Нужно чтобы и поглашаемая мишенью энергия лазерного излучения превышали некоторое пороговое значение
4.Постоянно при любой скорости окисления последовательность фаз окислов можно получить нагревая металл только в чистом кислороде.
Естественно, что для уточнения этой, наиболее вероятная качественный модели процессы лазерного воспламенения и горения металлов необходимы дальнейшие исследования.
В заключении отметим такой факт. При нагреве титана в атмосфере аргона до высоких температур в зоне облучения происходит явление рекристаллизации титана во всея толщине аналогичному процессу рекристаллизации меди (см. отчет).

ЧАСТЬ II. «ЛАЗЕРНОЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ВОЛЬФРАМА

В ВОЗДУХЕ". (См. отчёт за Ш-этап).
В данной главе представлены результаты исследований особенностей разрушения вольфрамовых мишеней в воздухе под действием непрерывного излучения такие на = 1,06 мкм. Процессы воспламенения и горения вольфрама имеют ряд отличий по сравнению с тугоплавкими металлами IYA-подгруппы (цирконий, гафний, титан) для которых в зависимости от скорости нагрева можно получить в воздухе либо последовательность фаз окислов (P <Р_пор), либо нарушение этой последовательности и появления, дополнительно к ним, нитридной фазы. На первый взгляд нагрев элемента УІ-подгруппы - вольфрама лазерным излучением во воздухе происходит аналогично как и для тугоплавких металлов ІУ подгруппы (Рис.2.І - 2.5 ). Такой не предварительный этап нагрева, связанное, по-видимому, осцилляцией а падающего излучения в растущем окисле, правда нечетко проявляющаяся по сравнению с цирконием, гафнием и титанем . Это может быть также связана с инерционностью прибора. Однако удалось снять несколько осциллограмм с записью на рис. 2.4-2.5 представлены синхронные изменения T(t); R(t) » A_эф (t) на одной из которых (Рис.2.4) на начальный стадии нагрева выражена интерференционная стадия процесса. Для вольфрама характерные особенности поведения T(t) и R (t) в целом аналогичны тугоплавким металлам ІУ-подгруппы. Следовательно, можно предположить, что для W также различаются область "быстрого" и "медленного" нагрева определяемой некоторой пороговой мощностью P_пор. Тем самым принять справедливость для вольфрама режима газофазного имитирования при нагреве его в воздухе. Следует отметить, что нагрев сопровождается бурным испарением окислов. Однако, как оказалось трактовка экспериментальных данных на основе лишь поведении кинетических кривые T (t) и R (t) не имеет реальной основы. Действительно, считая вышеприведенную качественную модель правильным, мы должны ожидать образование нитрида вольфрама при охлаждении его аргоном в максимуме. Но подобный опыт привел уже к другим представлениям о процессе лазерных воспламенения W в воздухе. На "замороженный" мишени вся поверхность кроме зоны облучения тыльной и передней поверхностей из "иголчатых" кристалликов зеленоватого цвета (WО₃) с малой спецляемостью с металлом очень легко, небольшим усиляем можно очистить от них поверхность. А зона облучения представляет собой тонкую, по сравнению толщиной мишени металл без каких-либо поверхностных соединений, Эта указывает на разрушение мишени в процессе нагрева. А охлаждение нитральной атмосферой в момент воспламенения при меньших мощностях Р<Р_пор и ниже (си. отчет) кристаллиты имеются и в воне облучения, которой они расположены наиболее гуще. Максимальное значение Р_мах при больших мощностях может превышать начальную отражательную способность. Интересные данные мы получили исследуя зависимость времени разрушения t* от мощности облучения Р (Рис.2.6) и эта кривая имеет минимум (в наших опытах при Р = 30 вт). Другими словами время разрушения пои больших [ ) больше чем при малых. Однако начиная с некоторой мощности t* стремится к постоянному значению. Кроме этих данных отметим особо, что отражение после воспламенения достигнув максимального значения убывает, а затем при дальнейшем нагрева несколько повышается, тогда как А эффект имеет постоянное значение. Величина минимального R с увеличением мощности повышается. Полученные нами результаты опытов позволяют сделать вывод, что характер процессов протекающих при воспламенении вольфрама иной чем для тугоплавких металлов ІУ-подгруппы. Для убедительность предлагаемого ниже модели разрушении вольфрама в воздухе рассмотрим как происходят процессы воспламенения и горения W в воздухе как термически тонких пластин при умеренных мощностьях падающей излучения с λ = 1,06 мкм, а также массивных образцов под действием мощного киловатного С02 - лазера. При исследовании нагрева термически тонких пластин были выявлены условия для реализации режима вынужденного горения обусловленного дополнительным вкладом на нагрев мишени энергии экзотермических реакции, в виде
P. A_эф(T_ст) + P_экз (T_ст) = P_пот (T_ст)
где T_ст = 1100 P_экз = , где – плотность при окислы, Q - удельная теплота реакции, S-площадь образца. Исходя из параметров опытов можно было определить дополнительный вклад на нагрев мишени экзотермически реакции. После естественного охлаждение в воздухе поверхность мишени покрывалась как и в настоящих опытах "игольчатыми" криссталитами WO; . Bизуально процесс воспламенение и горение вольфрама сопровождался характерным свечением паров окислов и металла, выбрасываемых из зоны реакции. Регистрировалась T(t) и соответственно R (t) .В поведении А эф (+) прослеживалась несколько осцилляции часто до воспламенения и другие после него. Такое изменение поглощательной способности трактовалось как интерференцией падающего излучения растущем окисле до воспламенения и обратной осцилляции А_эф (t) в уменьшающейся из-за разрушения окисной пленке после этого процесса. С точки зрения воспламенения и горения металлы подразделялись на две группы. I. Условия воспламенения облегчены и оно происходит в твердой фазе. Температура плавления или испарения окисла меньше температуры плавления металла (вольфрама). II. Температура разрушения окисла выше металла. В этом случае металл сначала плавится, потом огорает (например, алюминии). В работе исследовались особенности процессы воспламенения и горения массивных вольфрамовые мишеней в воздухе под действием мощного киловатного СО₂ - лазера. Не вдаваясь в детали явлений в которых есть особенности протекания этих процессов по сравнению с термически тонкими пластинками укажем, что проводились оценки влияния экзотермичности реакции и теплового контакта паров окис-лов и металла на нагрев вольфрама. Температурные поле в начальной стадии нагрева, в момент воспламенения в зоне облучения и вне его можно было описать соответственно семейством кривых типа
(t)= t <2/f ; R²/f>>t>>a²/f ; t >> R²/f ;
Полученные значение эффективной поглощательной только о учетом экзотермичности реакции дает значение А_эф = 17 % что недостаточно для воспламенения массивного металла по всей поверхности. Однако воспламенения образца возможно при условии сильного поглощения излучения в факеле паров WO₃ и последующей передачей этой энергии из плазмы за счет теплопроводностьного механизма и переизлучения аналогичный тому, как происходит нагрев твердой мишени при иницировании на её поверхности низкопоргового пробоя газа. Оценки сделанные для коэффициента поглощения излучения СО₂ - лазера в парах WО₃ показали что при температурах Т = 10000 ° К что вполне реально для факела WO, (низкотемпературная плазма) составляет 24 см^-1 и при этом упругость паров превышает атмосферное давление воздуха что приводит к прекращению доступа кислорода в зону облучения. Этот эффект должен приводит к пульсирующему режиму горения. Наши экспериментальные данные подтверждает по крайне мере качественно вышеприведённую модель процесса лазерного воспламенения и горения вольфрама, но имеются и некоторые дополнительные факты. Как и для гафния и титана здесь надо различать области "медленного" и "быстрого" нагрева мишени. При умеренных плотностьях (термически тонкие пластины) процесс разрушения вольфрама происходит из-за горения окислов WO, , на поверхности мишени в твердой фазе образованных при нагреве до воспламенения (см. отчет). При этом температура паров окислов такова, что давление их меньше чем атмосферное. В этих условиях, можно сказать что нагрев мишени определяется по-видимому значительно энерговкладом экзотермических реакций. При больших световых потока реализуется режим "быстрого" нагрева. В этом случае нагрев вольфрама в основном определяется энерговкладом в мишени за счет теплового контакта плазма с мишенью. Началу данного процесса соответствует скачок отражения, Убывание R после скачка, по всей вероятности, можно объяснить чем, что при этом давление паров все еще меньше давление воздуха. Полностью нагрев мишени определяется онерговладом паров WО₃ при больших мощностьях (Рис. 2.5, Р = 63 вт и выше). Постоянство R_max при этом объясняется тем, что в данном процессе на поверхности металлов не имеется твердой фазы окислов, за счет отсутствия доступа кислорода в зону реакции и тем нагрева определяет-ся только тепловым контактом паров WO₃ ишенью. Практически можно считать, что в зоне реакции разрушается чистый вольфрама. А вне зоны за счет меньшей температуры условия образовании WO₃ облегчены. Нетипичные "воплески" на кривых Т(t) и R (t) в процессе нагрева можно обьяснить, по видимому, пульсирующим режимом горения. Теперь, что касается о возможности образования нигридной пленки на поверхности вольфрама. Из оказанного выше ясно, что при больших скоростях нагрева не может их появления, из-за того, что нет доступа воздуха в вону реакции. В связи с этим можно предложить три способа реализации на вольфраме режима газофазно-го лимитирования в воздухе. I. Нагрев вольфрама умеренным световым потоком и кратко-временное воздействие импульсного излучения в зону облучения.По-видимому температура мишени должна быть нике чем температуры ее воспламенения ( T < T_в ) II. Нагрев вольфрама с интенсивноотью непрерывного излучения достаточной для воспламенения и сдув паров окислов нейтральной атмосферой, а затем одновременное отключение аргона, влуск воздуха и воздействие в зону облучения импульсным лазером. III. При определенных условиях можно получить этот релли и при воздейетвии на вольфрам в воздухе импульсного излучения варьируя их длительность.