1.4.3. Экзотермические эффекты при импульсном лазерном воздействии на металлы

Наряду с ростом поглощения при окислении металлов, еще одним важным фактором, определяющим закономерности и специфику термохимического механизма взаимодействия с ними лазерного излучения, является экзотермичность реакции. Трудность обнаружения экзотермических эффектов при импульсном облучении окисляющихся металлов связана с тем, что в обычных условиях дополнительный тепловой поток от химической реакции мал по сравнению с используемым для нагрева металла падающим световым потоком . Вместе с тем, для металлов с большим тепловым эффектом окисления, а также для каталитического окисления на поверхности металлического катализатора экзотермичность реакции при ее протекании с высокой скоростью в течение импульса проявляется в тепловом последействии и может существенно изменить его характер.

На рис. .33 приведены зависимости температуры от времени центра зоны облучения титановой пластины толщиной 50 мкм при различных плотностях энергии излучения ( ) импульса свободной генерации неодимового лазера ( мс). Видно, что при Дж/см² (кривая 3) температура образца продолжает повышаться и после окончания светового воздействия. Это можно объяснить только экзотермичностью окисления, тепловой эффект которого оказывается достаточным для покрытия всех видов теплопотерь. Вместе с тем эти зависимости показывают, что через несколько десятков миллисекунд возникшее горение начинает затухать (кривые 3, 4 на рис. .33, б). Это естественно связать с обеднением приповерхностного слоя воздуха кислородом и малой эффективностью диффузионного механизма его притока к образцу. Другой возможный механизм затухания горения титана в конденсированной фазе – испарение металла и образующегося окисла с оттеснением воздуха от поверхности образца – не реализуется, так как температура в зоне реакции во всех режимах воздействия меньше температуры кипения титана и его окислов.

Рис. 1.33. Зависимости температуры от времени в центре зоны облучения титановой пластины толщиной 50 мкм, нагреваемой импульсом излучения неодимового лазера длительностью 1.3 мс при различных плотностях энергии в неподвижном воздухе (1–4) и при обдуве (5): 1 — Дж/см²; 2 — 40; 3 — 50; 4,5 — 75; а — ранние моменты времени; б — поздние моменты времени. Пунктиром на рис.3.24–а показана форма импульса излучения.

Характер протекающих процессов резко меняется при импульсном облучении термически тонкой пластины в воздушном потоке, когда при возможно незатухающее горение термически тонкого металлического слоя (рис. .33, б, кривая 5). Область горения в таком режиме постепенно (со скоростью до 1 см/с) распространяется за пределы светового пятна, внутри которого была инициирована импульсная реакция, и сам процесс горения становится автоволновым.

Рассмотрим условия импульсного воспламенения термически тонкой металлической пластины теоретически. Как известно, в отсутствие пространственных перепадов температуры воспламенение происходит при таком значении , когда тепловой поток от реакции полностью компенсирует теплопотери образца в момент окончания светового импульса:

.

Если считать, что окисление металла подчиняется обобщенному степенному закону в форме (.80), то толщина окисной пленки к моменту окончания импульса и скорость окисления в этот момент могут быть выражены через эквивалентное время изотермического окисления при максимальной температуре следующим образом:

; ,

где

; ,

Для прямоугольного светового импульса, когда , при и

.

Для наиболее распространенного, параболического закона окисления ( ) можно найти приближенное значение температуры воспламенения:

,

.

Например, для титана при мс величина составляет 1000–1200 К в зависимости от экзотермичности реакции (при изменении от 46 до 5 кДж/см³). Необходимо, однако, подчеркнуть, что определенные здесь значения представляют собой минимальные температуры воспламенения, поскольку при оценках не учтены теплопроводностные потери за пределы светового пятна, играющие существенную роль в тепловом балансе во многих реальных экспериментах.

Температура воспламенения зависит от длительности импульса и логарифмически уменьшается по мере его укорочения. Эта неочевидная особенность является прямым следствием параболического закона окисления ( ), при котором тепловой эффект реакции тем больше, чем тоньше слой окисла, образовавшегося к моменту достижения температуры . Естественно, что такая закономерность сохраняется до определенных значений , пока нагрев образца можно рассматривать в приближении термически тонкой пластины: .

Рис. 1.34. Зависимость пороговой плотности энергии в импульсе излучения неодимового лазера длительностью 1,3 мс, необходимой для воспламенения титановой пластины, от ее толщины .

При отклонении от этого условия, имеющем место при исследовании воспламенения термически толстых слоев металла, определяющим механизмом теплоотвода становится теплопроводность в глубь образца. Пороговая плотность энергии здесь сверхлинейно растет с толщиной пластины (рис. .34), причем воспламенение возможно до тех пор (при данной длительности импульса), пока пороговая температура ниже температуры кипения металла.