Статья опубликована в №15 (ноябрь) 2014
Разделы: Физика, Оптика
Размещена 28.11.2014. Последняя правка: 28.12.2014.
Просмотров - 3275

Регистрация плавления поверхностного слоя металла по пространственному распределению интенсивности пробного излучения, рассеянного поверхностью

Менделеев Владимир Яковлевич

кандидат технических наук

Объединенный институт высоких температур РАН

старший научный сотрудник, Научно-исследовательский центр физико-технических проблем энергетики

Батенин Вячеслав Михайлович, Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН), член-корреспондент РАН; Бобров В.Б., ОИВТ РАН; Животовский И.В. ОИВТ РАН, Карпухин В.Т. ОИВТ РАН; Качалов В.В.ОИВТ РАН; Курилович А.В. ОИВТ РАН, Маликов М.М. ОИВТ РАН, Менделеев В.Я.ОИВТ РАН, Сычев Г.А.ОИВТ РАН, Тригер С.А. ОИВТ РАН

УДК: 535.016, 536.331

Введение

Для исследования теплофизических свойств металла при воздействии интенсивного излучения необходимы экспериментальные данные о плавлении, абляции и испарении. Экспериментальные данные о начале плавления и полном плавлении поверхностного слоя позволяют определить границы применимости теоретических моделей [5,6,9,10], описывающих изменение теплофизических свойств металлов на начальном этапе и последующих этапах воздействия интенсивного излучения.

Актуальность

Обычно плавление поверхностного слоя металла при воздействии интенсивного излучения определяют [1,7,11] по коэффициенту отражения поверхности, используя пробное излучение. Однако на величину коэффициента отражения могут влиять неодинаково зависящие от температуры оптические постоянные [8] и пространственная структура шероховатости поверхности [4]. В этой связи актуальным является исследование информативности пространственного распределения интенсивности пробного излучения, рассеянного шероховатостью поверхности, изменяющейся при плавлении.

Цели, задачи, материалы и методы

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование возможности регистрации начала плавления и полного плавления поверхностного слоя образцов серебра и олова по пространственному распределению интенсивности пробного лазерного излучения, рассеянного шероховатостью поверхности.

Исследование проводилось на двух экспериментальных установках, обеспечивающих нагрев тепловым и лазерным излучением образцов серебра (99.9% Ag) и олова (99.9% Sn) вплоть до температур плавления в воздушной атмосфере. Пространственная структура поверхности, отражающей пробное лазерное излучение, формировалась путем шлифования абразивом 3М 401Q P2500 в одном направлении. Шлифованные поверхности представляли собой композицию преимущественно однонаправленных канавок шероховатости. Диапазон среднеквадратических отклонений шероховатости поверхности образцов, измеренных с помощью профилометра Talystep 1020 в направлении, перпендикулярном канавкам, составлял 50-100 нм. Образцы серебра и олова, нагреваемые тепловым излучением, имели толщину 0.5 мм и размеры отражающей поверхности ~8 мм*6 мм. Образцы олова, нагреваемые лазерным излучением, имели цилиндрическую форму. Диаметр отражающей поверхности и длина образцов составляли соответственно 4 мм и 6 мм.

Схема экспериментальной установки (№1) для исследования образцов, нагреваемых тепловым излучением, приведена на Рис. 1. В состав установки входили высокотемпературный нагреватель исследуемого образца, измеритель температуры образца и регистратор пространственного распределения интенсивности излучения, рассеянного шероховатой поверхностью. В состав высокотемпературного нагревателя входили высокотемпературная цилиндрическая трубчатая печь 1 с источником 2 питания.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования образцов, нагреваемых тепловым излучением. 1 - высокотемпературная печь, 2 - источник питания печи, 3 - образец, 4 – термопара, 5 – компьютер, 6 – лазер пробного излучения, 7 – зеркало поворотное, 8 – экран, 9 - видеокамера.

Образец 3 устанавливался в центральной зоне печи и контактировал с корольком платина - платинородиевой термопары 4 типа S [3]. Погрешность измерения температуры не превышала 1.5°. Сигнал термоэдс термопары фиксировался компьютером 5. Пробное излучение полупроводникового лазера 6 (DMO-30) на длине волны 660 нм направлялось на отражающую поверхностью образца. Угол падения лазерного излучения на образец составлял ~5°. Регистратор пространственного распределения интенсивности излучения, рассеянного шероховатой поверхностью образца, включал экран 8 и видеокамеру 9 LightWaySystems. Частота регистрации изображений пространственного распределения интенсивности излучения, рассеянного образцом, и температуры составляла 1 Гц.

На Рис. 2 приведена схема установки (№2) для исследования образцов, нагреваемых лазерным излучением.

В качестве источника лазерного нагрева и пробного излучения использовался лазер на парах меди со средней мощностью излучения ~10 Вт, пиковой мощностью ~100 кВт, длительностью импульсов излучения 20-30 нс и частотой следования 10 кГц. Лазер излучал на двух длинах волн 510 нм и 578 нм. Лазерное излучение фокусировалось линзой 2 и направлялось зеркалом 3 на исследуемый образец 4. Угол падения лазерного излучения на поверхность образца составлял ~4°. Время экспозиции и доза энергии задавались с помощью электромагнитного затвора 5, который управлялся электронной системой, состоящей из формирователя 6 импульса тока и задающего генератора 7 прямоугольных

Рис. 2. Схема установки для исследования образцов, нагреваемых лазерным излучением. 1 - лазер на парах меди,  2 - линза фокусирующая, 3 - поворотное зеркало, 4 - образец, 5 - электромагнитный затвор, 6 - формирователь импульса тока, 7 - генератор прямоугольных импульсов, 8 - экран, 9 - видеокамера, 10 - термопара, 11 – осциллограф.

импульсов.Максимальная длительность экспозиции лазерного излучения составляла 100 с. Диаметр лазерного пучка в плоскости поверхности образца составлял ~5.0 мм. Лазерное излучение, рассеянное шероховатой поверхностью, направлялось на экран 8. Пространственное распределение интенсивности излучения, рассеянного образцом, регистрировалось видеокамерой 9. Температура образца измерялась с помощью хромель алюмелевой термопары 10, термоэдс которой фиксировалась осциллографом 11 (Tektronix 414).

Результаты и выводы

Серебро

Пространственное распределение интенсивности пробного излучения, рассеянного поверхностью серебра контролировалось начиная с комнатной температуры до температуры плавления. При этом пространственное распределение интенсивности излучения анализировалось по излучению, отраженному в зеркальном направлении, и излучению, рассеянному диффузно. Изменение пространственного распределения диффузно рассеянного излучения оценивалось по степени анизотропии D, которая по аналогии со степенью поляризации [2] взаимно некогерентных оптических полей определялась как:

D=(Pc-Pp)/(Pc+Pp),

где Pc - мощность диффузно рассеянного излучения в плоскости, перпендикулярной канавкам шероховатости, и Pp - мощность диффузно рассеянного излучения в плоскости, параллельной канавкам шероховатости.

При нагреве образца от комнатной температуры до температуры плавления, интенсивность отраженного пробного излучения достигала минимума при температуре ~500°С, а затем увеличивалась. Такое же поведение интенсивности отраженного пробного излучения наблюдалось в работах [1,7,11].

На Рис. 3. представлены изображения пространственного распределения интенсивности излучения, рассеянного образцом серебра при нагреве тепловым излучением. Данные о температуре образца приведены в подрисуночных надписях к каждому изображению. Следует отметить, что пространственное распределение интенсивности излучения, рассеянного образцом, практически не изменялось при повышении температуры вплоть до t=959.2°C. Изображение, приведенное на рисунке 3a, соответствует указанной температуре и предшествует изменению пространственного распределения интенсивности рассеянного пробного излучения. Как видно из рисунка 3a, пространственное распределение интенсивности содержит зеркально отраженный пучок и диффузное излучение, сильно рассеянное в плоскости перпендикулярной канавкам шероховатости, и слабо рассеянное в плоскости, параллельной канавкам шероховатости. Степень анизотропии такого распределения составляла 0.84. При температуре t=959.4°С (Рис. 3b) область диффузного рассеяния в плоскости, перпендикулярной канавкам шероховатости, заметно уменьшилась. При этом степень анизотропии составила 0.64, что свидетельствует об изменении шероховатости поверхности, связанном с началом плавления поверхностного слоя образца. С этого момента отраженное излучение постепенно преобразовывалось в пучок излучения с увеличивающейся расходимостью, максимум которой достигался при температуре t=959.6°C (Рис. 3с). Можно полагать, что увеличение расходимости связано с деформацией поверхности, вызываемой напряжениями, возникающими при распространении границы плавления вглубь образца. При дальнейшем прохождении границы плавления вглубь образца влияние напряжений на форму поверхности ослабевало. Форма поверхности

Рис. 3. Изображения пространственных распределений интенсивности излучения, рассеянного образцом серебра при нагреве тепловым излучением.

 становилась более гладкой и расходимость отраженного пучка излучения начинала уменьшаться. При температуре t=959.5°C (Рис. 3d) расходимость излучения становилась минимальной и постоянной, что свидетельствовало о завершении плавления.

Олово

При нагреве образцов олова тепловым и лазерным излучением от комнатной температуры до температуры плавления интенсивность отраженного пробного излучения достигала минимума при температуре ~231°C, а затем увеличивалась. Причем пространственное распределение интенсивности излучения, рассеянного образцами, практически не изменялось вплоть до указанной температуры. При плавлении наблюдались заметные изменения пространственного распределения интенсивности, связанные с процессом окисления.

На Рис. 4 представлены полученные на установках №1 и №2 изображения пространственных распределений интенсивности излучения, рассеянного образцами олова при комнатной температуре и температуре плавления.

     

 Рис. 4. Изображения пространственных распределений интенсивности пробного излучения, рассеянного образцами олова, при комнатной температуре (Рис. 4а и Рис. 4с) и температуре плавления (Рис. 4b и Рис. 4d).

Как видно из рисунков 4a и 4с, пространственные распределения интенсивности при комнатной температуре содержат зеркально отраженный пучок и диффузное излучение, сильно рассеянное в направлении, перпендикулярном канавкам шероховатости. В пространственных распределениях интенсивности, соответствующих температуре плавления, наблюдаются ярко выраженные пучки излучения, отраженного в зеркальном направлении. Наличие таких пучков в изображениях, полученных при одинаковой температуре плавления, позволяет полагать, что плавление олова при нагреве тепловым излучением на установке №1 и плавление при нагреве лазерным излучением на установке №2 имеют идентичный характер.

Заключение

Возможность регистрации начала плавления и полного плавления поверхностного слоя образцов серебра и олова исследована на двух экспериментальных установках, обеспечивающих нагрев образцов тепловым и лазерным излучением в воздушной атмосфере. Нагрев образцов осуществлялся тепловым излучением в высокотемпературной цилиндрической трубчатой печи и излучением лазера на парах меди, которое также использовалось в качестве пробного излучения. При нагреве тепловым излучением в качестве пробного излучения использовалось излучение полупроводникового лазера. В экспериментах регистрировалось пространственное распределение интенсивности рассеянного пробного излучения и температура образцов.

Поверхность образцов была анизотропно-шероховатой в виде композиции преимущественно однонаправленных канавок шероховатости. Пространственное распределение интенсивности излучения, рассеянного такими поверхностями, содержало анизотропное диффузное излучение, рассеянное преимущественно в одном направлении.

При нагреве образцов тепловым и лазерным излучением от комнатной температуры до температуры плавления интенсивность отраженного пробного излучения достигала минимума при температуре ~231°C для олова и ~500°C для серебра, а затем увеличивалась. В начале плавления поверхностного слоя рассеянное пробное излучение начинало трансформироваться в изотропное излучение, а при полном плавлении пробное излучение трансформировалось в зеркально отраженное излучение.

Проведенное исследование позволило установить, что по пространственному распределению интенсивности пробного излучения, рассеянного поверхностью металла, можно регистрировать начало плавления поверхностного слоя, наличие деформации поверхности, вызываемой напряжениями, возникающими при проникновении границы плавления вглубь металла, и полное плавление поверхностного слоя.

 Авторы благодарны Пилипенко В.В. за помощь в проведении экспериментов. Исследование проводилось при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (Грант №14-08-00696).

1. Бонч-Бруевич А.М., Имас Я.А., Романов Г.С., Либенсон М.И., Мальцев Л.Н. Изменение отражательной способности металлов за время действия импульса ОКГ // Журнал Технической Физики 1968. Т.38. С.851-855.
2. Борн М., Вольф Э. Основы оптики М.: Наука. 1973. С. 719.
3. ГОСТ Р 8.585-2001 ГСИ. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования // Госстандарт России. 2001.
4. Громов Д.Г., Гаврилов С.А., Редичев Е.Н., Аммосов Р.М. Кинетика процессов плавления-диспергирования тонких пленок меди // Физика твердого тела 2007. Т.49. С.172-178.
5. Царькова О.Г. Оптические и теплофизические свойства металлов, керамики и алмазных пленок при высокотемпературном лазерном нагреве // Труды Института Общей Физики им. А.М. Прохорова. 2004. Т.60. С. 30-82.
6. Ren Y., Chen J.K., Zhang Y., Huang J. “Ultrashort laser pulse energy deposition in metal films with phase changes” //Appl. Phys. Lett. 2011. Vol.98. 191105.
7. Rotenberg N., Bristow A.D., Pfeiffer M., Betz M., van Driel H.M. Nonliner absorbtion in Au films: Role of thermal effects // Phys. Rev. B. 2007. Vol.78. 155426.
8. Schmid M., Zehnder S., Schwaller P., Neuenschwander B., Held M., Hunziker U., Zürcher J. Measuring Optical Properties On Rough And Liquid Metal Surfaces // Proc. Advanced Laser Technologies 2012. Vol. 1. https://bop.unibe.ch/ALT-Proceedings/article/view/78.
9. Ujihara K. Reflectivity of metals at high temperatures // J. Appl. Phys. 1972. No.5. Р.2376-2383.
10. Vial A., Grimault A.-S., Macías D., Barchiesi D., de la Chapelle M.L. Improved analytical fit of gold dispersion: Application to the modeling of extinction spectra with a finite-difference time-domain method // Phys. Rev. B. 2005. Vol.71. 085416.
11. Zavecz T.E., Saifi M.A., Notis M. Metal reflectivity under high−intensity optical radiation // Appl. Phys. Lett. 1975. Vol.26. P.165-168.

Рецензии:

4.12.2014, 15:24 Мордашев Владимир Михайлович
Рецензия: Статья интересная. Полезна не только экспериментаторам.Метод, на мой взгляд, простой и оригинальный. Печатать безусловно надо.

Комментарии пользователей:

Оставить комментарий