Лазерный мир

В. П. Вейко, С. Г. Горный, Г. В. Одинцова, М. И. Патров, К. В. Юдин // Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 2011, №2, с:47-52, УДК 535-1/-3

Экспериментально и теоретически исследован процесс формирования цветных оксидных пленок на поверхности нержавеющей стали в результате воздействия излучения лазера ИК-диапазона. Предложен способ выбора параметров лазерного излучения, влияющих на цвет металлической поверхности при изменении времени экспозиции или мощности излучения.

Experimental results and theoretical analysis of color image formation at laser oxidation of stainless steel surface are presented. A method is proposed for choice of laser radiation parameters to ensure a desirable color of the film.

Экспериментально и теоретически исследован процесс формирования цветных оксидных пленок на поверхности нержавеющей стали в результате воздействия излучения лазера ИК-диапазона. Предложен способ выбора параметров лазерного излучения, влияющих на цвет металлической поверхности при изменении времени экспозиции или мощности излучения.

Введение. Возможности лазерной маркировки и гравировки (информационные, декоративные и художественные) поверхности металлических изделий могут быть существенно расширены, если высокую разрешающую способность и точность изображения, гибкость, оперативность и простую перестройку, бесконтактность и минимальное деформирующее воздействие на деталь, высокую износостойкость изображения дополнить возможностью управления цветом наносимого изображения.

Такая „цветная» версия метода лазерной маркировки и гравировки может быть полезна, в частности, в промышленном производстве (нанесение цветных логотипов на выпускаемую продукцию с целью исключения возможности подделки), в рекламном бизнесе (сувенирная продукция, визитки, шильдики, панели приборов), в ювелирном производстве, декоративно-прикладном искусстве и т.п. Примером может служить эффект окисления металлов на воздухе при нагревании. При окислении наблюдается образование „цветов побежалости», каждый из которых соответствует определенному (одному из возможных) окислу данного металла. Лазерное импульсное нагревание предоставляет уникальную возможность управления геометрической структурой (топологией) образующихся окислов и степенью окисления металлов, что в принципе позволяет создавать полноцветное изображение на металлических поверхностях.

Целью настоящей работы являлось исследование механизмов и оптимизация режимов управляемого формирования на металлической поверхности цветных оксидных изображений.

Экспериментальное оборудование и методика эксперимента. Для проведения экспериментов по воздействию излучения на металлические поверхности использовалась установка „МиниМаркер™-М10» [1], построенная на основе волоконного лазера с диодной накачкой и акустооптической модуляцией добротности на длине волны Х=1,07 мкм. Установка работает в импульсно-периодическом режиме с длительностью импульсов т=100 нс, частотой следования J=10—100 кГц и энергией 7=0,01—0,5 мДж.

На металлическую поверхность образца лазерное излучение проецировалось в круглое пятно диаметром около d=50 мкм с относительно резким краем и равномерным распределением интенсивности, с плотностью мощности ^=(0,1—1,8)-10 Вт/см . Для формирования элемента изображения применялось построчное сканирование поверхности образца пучком лазерного излучения со скоростью У=1—250 мм/с и шагом строк сканирования около 50 мкм. Сканирование осуществлялось при помощи двухосевого гальванометрического сканатора, входящего в состав установки. Энергия и средняя мощность лазерного излучения измерялись при помощи пироэлектрического приемника РЕ-25

(OPHIR Opt.). В качестве образцов были выбраны шлифованные пластины нержавеющей стали размером 10x10x2 мм. Облучение образцов проводилось при нормальных лабораторных условиях на воздухе.

В установке „МиниМаркер™-М10″ средняя мощность лазерного излучения и продолжительность воздействия на образец определяются частотой следования импульсов и скоростью сканирования. В различных условиях воздействия поверхность образца приобретала цвет от светло-фиолетового до темно-красного.

При исследовании использовались методы:

— оптической микроскопии (микроскоп Zeiss Axio Imager AIM),

— профилометрии (профилометр Hommel Tester 8000),

— спектрофотометрии (микроскоп-спектрофотометр МСФУ-К),

— микрорамановского рассеяния (рамановский спектрометр Renishaw In Via).

Феноменологическая модель процесса.

Структура образующихся на поверхности металла или сплава оксидных пленок определяется термодинамическими и кинетическими процессами, в том числе температурой и продолжительностью нагрева. Известно, например, что при снижении температуры, но с повышением времени нагрева возможно образование той же оксидной пленки, что и при большей температуре нагрева, но при меньшем времени воздействия [2].

Особенности процесса лазерного нагревания поверхности стали в приведенных условиях могут быть проанализированы в рамках одномерной задачи теплопроводности [3], поскольку диаметр облучаемой области d=50 мкм существенно больше глубины проникновения теплового потока в глубь образца в течение лазерного импульса Vox = 1,4 мкм, d >> 2л[ах , где а — коэффициент температуропроводности (для нержавеющей стали а=0,21 см /с).

С учетом одномерности процесса для определения температуры поверхности образца можно рассмотреть процесс облучения сканирующим пучком лазера следующим образом. Область поверхности образца характерного размера d подвергается воздействию n импульсов, которые лазер генерирует с частотой f в течение времени смещения сканирующего пучка лазерного излучения на расстояние, равное d, при скорости сканирования V.

Для получения определенного цвета оксидной пленки, т.е. для активации некой окислительной реакции, необходимо достичь соответствующей пороговой величины плотности мощности лазерного излучения, а в конечном итоге — необходимой температуры поверхности. С другой стороны, важным фактором процесса является время воздействия лазерного излучения, или время нагрева поверхности, вследствие резкой нелинейной зависимости скорости роста оксидных пленок от температуры [2]. Параметром, характеризующим образование оксидной пленки той или иной структуры и цвета, должна являться некая интегральная характеристика, учитывающая температуру поверхности образца, создаваемую воздействием серии импульсов, и общее время нагрева.

Если частота обратно пропорциональна импульсной мощности, как в „МиниМаркере™-М10″, комбинация (4) преобразуется к виду Ф« То N т + — 2 Тт .

Экспериментальные результаты.

При воздействии сканирующего излучения лазера однородный цвет поверхности наблюдался невооруженным глазом на всем поле облученного образца. В результате микроскопического исследования модифицированной поверхности образца была установлена неоднородность окраски образованных оксидных пленок, аналогичная полученной в работе [5]. Например, поверхность розового цвета была образована оксидными пленками голубого цвета на дне кратера и ярко-розового — ближе к краю кратера. Тем не менее многократные эксперименты показали воспроизводимость наблюдаемого невооруженным глазом цвета модифицированной поверхности.

Список литературы

1. МиниМаркер // Лазерный центр. [2004—2010] [Электронный ресурс]: <http://www.newlaser.ru/laser/lc/ minimarker.php>.

2. Окисление металлов / Под ред. Ж. Бенара. M.: Металлургия. 1969. T. 2. 444 с.

3. Горный С. Г., Григорьев А. М., Патров М. И., Соловьев В. Д., Туричин Г. А. Специфика поверхностной обработки металла сериями лазерных импульсов наносекундной длительности // Квант. электрон. 2002. № 10(32). С. 929—932.

4. Veiko V. P., Metev S. M. Laser assisted microtechnology. Heidelberg: Springer. Verlag, 1994.

5. Алексеев С. Б., Орловский В. М. и др. Формирование микроскопических цветных оксидных точек на поверхности титановой фольги при воздействии лазерного излучения // Квант. электрон. 2003. № 12(33). С. 1101—1106.

Полное содержание статьи: http://pribor.ifmo.ru/file/article/5572.pdf