0.3.2. Интерференционные явления в окисном слое

Специфический режим допорогового разогрева металла может реализоваться при образовании прозрачных окисных пленок ( ; ), когда поглощательная способность системы металл–окисел периодически изменяется вследствие интерференционных эффектов в окисном слое. Поскольку в процессе роста интерференционных окисных пленок положительная обратная связь между толщиной окисла и поглощательной способностью периодически меняется на отрицательную, должен осциллировать и темп нагрева металла лазерным излучением. Если на участке спада функции теплопотери в зоне облучения превысят поглощенный световой поток, то осциллировать будет и температура окисляющейся поверхности (рис. 0.27–а, в). Теоретический анализ этой ситуации, выполненный по аналогии с термохимической неустойчивостью, в предположении квазистационарности теплового баланса в зоне реакции: , показывает, что интервал времени между двумя соседними ( –м и ( )–м) температурными максимумами определяется соотношением:

и, так же как и величина , резко зависит от плотности потока (через стационарную температуру ) и энергии активации реакции. Следует заметить, что осцилляции температуры будут периодическими только при линейном законе окисления ( ). При с каждой последующей осцилляцией возрастает, так как с ростом толщины окисла уменьшается скорость окисления поверхности. Объяснить возникновение температурных осцилляций при лазерном нагреве возможно с привлечением представлений о термохимических эффектах и учетом их определяющего влияния на оптические свойства металла.

Рис. 0.27. Зависимости поглощательной способности (а, б) и температуры (в, г) окисляющегося металла от времени нагрева непрерывным излучением при различных плотностях светового потока (кривые 1–3): а, в — для прозрачного окисла; б, г — с учетом температурной зависимости оптических постоянных для первоначально прозрачного окисла; — начальная температура; — стационарная температура при исходном поглощении ; — температура разрушения; — поглощательная способность массивного окисла. При переходе от кривых 1 к кривым 3 плотность падающего светового потока возрастает.

Ряд особенностей в кинетику нагрева и поведение поглощательной способности системы металл–окисел вносят температурные изменения оптических постоянных окисла, связанные с ростом концентрации и плазменной частоты равновесных свободных носителей, вплоть до значений, свойственных области аномальной дисперсии вблизи точки плазменного резонанса. На рис. 0.27 б пунктиром показан ход такой зависимости во времени в процессе нагрева металла излучением постоянной плотности (рис. 0.27, г). Сначала на поверхности образуется прозрачный окисел, и первая осцилляция поглощательной способности и температуры обусловлена интерференционными явлениями в нем. При последующем разогреве из-за резкого роста концентрации носителей окисный слой быстро теряет прозрачность и вторая осцилляция поглощательной способности имеет совершенно иную природу - она связана с термически активированными явлениями аномальной дисперсии в оптически толстом окисле. Это необходимо учитывать при интерпретации экспериментальных зависимостей и определении с их помощью оптических и термохимических констант окисла.

Наряду с периодическими замедляющимися пульсациями поглощательной способности и температуры теория предсказывает учащение осцилляций поглощательной способности, если температура поверхности монотонно возрастает (например, вследствие малости теплоотвода) при этом скорость окисления, определяемая активационной экспонентой, непрерывно увеличивается. Один из таких режимов нагрева термически тонкой металлической пластины, рассчитанный с учетом электронного поглощения, интерференционных явлений в растущем окисле, а также радиационного теплообмена, иллюстрируется рис. 0.28. Вместе с тем, высокотемпературное окисление на воздухе становится неактивированным процессом, так как лимитируется газофазной диффузией кислорода, его скорость перестает зависеть от температуры. Это радикально влияет на кинетику высокотемпературного нагрева металла, причем существенно упрощается соответствующее теоретическое рассмотрение, так как химическая, оптическая и теплофизическая части задачи могут быть решены раздельно в указанной последовательности.

Рис. 0.28. Изменение поглощательной способности ( ) и температуры ( ) титановой пластины толщиной 50 мкм при нагреве на воздухе излучением СО₂–лазера при плотности падающего потока 0.5 кВт/см². Численный расчет выполнен с учетом электронного поглощения в окисле ( см^–3, К, ) и радиационных потерь.