Разработка технологии получения воспроизводимых многоцветных изображений на металлических поверхностях с использованием лазеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка технологии получения воспроизводимых многоцветных изображений на металлических поверхностях с использованием лазеров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Крупные открытия и научно-технические решения, как правило, находят свое отражение в дизайне, в виде новых художественных форм и новой типологии промышленных изделий, а зачастую и новой философии их формообразования.

О возникновении цветов побежалости оксидных пленок, появляющихся на поверхности металла в результате температурного воздействия в кислородосодержащей среде, известно давно. При термической обработке этого явления стремятся избежать. При изготовлении художественных изделий, это явление в некоторых случаях используется в процессах художественного проектирования для придания изделиям наибольшей выразительности.

Оксидные структуры некоторых металлов представляют собой один из наиболее интересных классов веществ с разнообразными и перспективными для практического применения свойствами. В соединениях с кислородом они образуют сложные системы фаз с переменной валентностью, обладающие широким спектром различных физико-химических свойств и специфическими оптическими свойствами. При формировании на поверхности металла искусственных оксидных слоев можно получить не только прозрачные защитные покрытия, но и широкий диапазон декоративных цветных оттенков. Оттенки могут возникать как за счет эффекта интерференции оксидной пленки (например, на железе и его сплавах), так и за счет цвета самого окисла (оксиды хрома обладают различными цветами: Cr₃O₄ - красный, Cr₂O₃ - оранжевый; Cr₅O₁₂ - зеленый; CrO₃ - черный ).

Появление лазеров, с их уникальной возможностью локального управляемого нагрева металлической поверхности, позволило применить эти возможности для формирования на поверхности металлических изделий растровых изображений с использованием всей цветовой палитры, которую можно получить на конкретном материале.

Проведенные к настоящему времени исследования процессов, проходящих на поверхности металла под воздействием лазерного излучения, показали, что при различных видах облучения возможны сложные динамические процессы в системе оксид-металл. На поверхности металлических изделий, находящейся в контакте с химически активным газом (воздухом), в процессе лазерного облучения могут происходить термохимические превращения, которые не связаны с монохроматичностью излучения, т.е. обусловлены лазерным нагревом.

Таким образом, появилась необходимость выявления механизма формирования цветных оксидных структур на металлической поверхности под воздействием кратковременного воздействия импульсов высокой мощности.

При этом, несмотря на значительное количество полученных другими авторами результатов в области лазерных технологий, практически отсутствуют четко сформулированные и научно-обоснованные представления и технические рекомендации, позволяющие управлять процессом формирования поверхностных структур с требуемыми колориметрическими (цветовыми) характеристиками.

Получаемые отдельными исследователями цветные изображения под воздействием лазерного излучения на металлических поверхностях не подкреплены системным научным обоснованием механизма цветообразования в этих условиях и принципов выбора технологических параметров обработки, а потому являются невоспроизводимыми, а процесс - неуправляемым.

Таким образом, актуальность диссертационной работы определяется необходимостью разработки технологии получения воспроизводимого многоцветного изображения на металлической поверхности под воздействием лазерного излучения.

Разработка такой технологии позволяет находить новые дизайнерские решения при декорировании металлических изделий, увеличить серийность декоративных изделий, снизить трудозатраты и себестоимость продукции. Улучшение эстетико-художественной выразительности металлических изделий способствует повышению конкурентоспособности товаров.

Объектом изучения являются оксидные структуры, формируемые на металлической поверхности, предметом - механизм формирования цветообразующих оксидных структур под воздействием лазерного излучения.

Степень теоретической разработанности проблемы.

В ходе изучения оптических свойств металлов и их оксидов, особенностей высокотемпературного окисления металлов и специфики лазерной обработки металлических изделий были рассмотрены работы:

- по цветоведению и эстетике восприятия цветов: В.В. Бычкова, Е.А. Кириллова, Л.Н.Мироновой, В.А. Зернова, Т.И. Наливиной;

- по окислению и оптическим свойствам металлов и окислов: А.В. Соколова, Ю.Р. Эванса, В.К. Афонина, Б.С. Ермакова, Е.Л. Лебедева, Е.И. Пряхина, Н.С. Самойлова, Ю.П. Солнцева, В.Г. Шипшы;

- по исследованию окисленного слоя на различных металлических материалах: А.И. Файнштейна, Н.А. Литовченко, А. Г. Тюрина, Б. Н. Берга, Э. А. Животовского, В. Д. Поволоцкого, Г.Д. Пигровой;

- по взаимосвязи кинетических и термодинамических характеристик при окислении металла: А.Г. Рябухина, Ю.Н. Теплякова, С.В. Гусевой, Р.А. Лидина;

- по высокотемпературному окислению металлов и сплавов: Р. Ф. Войтовича, Э. И. Головко, И. Н. Францевича, С.И.Анисимова;

- по теории и методам нестационарной теплопроводности: Н.М.Беляева, А.А.Рядно, А.В. Лыкова, Г. Карслоу, Д. Егер;

- по истории и применению лазерных технологий: В.П. Вейко, С.М. Метева;

- по математическим методам описания лазерных технологий: М.Н. Либенсона, Е.А. Шахно, Е.Б. Яковлева, Г.Д. Шандыбиной;

- по изучению влияния лазерного излучения на материал:

А.Г. Григорянца, А.А. Соколова, У. Дьюли, Н.В. Карлова, Н.А. Кириченко, Б.С. Лукьянчук, С.П. Мурзина, Дж. Ф. Рэди;

- по способам лазерной модификации металлической поверхности:

С.Г. Горного, А.Г. Валиулина, И.Р. Емельченкова, А.М. Прохорова, В.И. Конова, И. Урсу.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является выявление механизма формирования многоцветного изображения на металлической поверхности под воздействием лазерного излучения; научное обоснование выбора параметров технологического процесса лазерной обработки; разработка технологии получения воспроизводимых многоцветных изображений на металлической поверхности.

Достижение цели предполагает решение следующих взаимосвязанных задач:

1. Проведение сравнительного анализа современных методик и способов получения цветообразующих структур, в том числе, оксидных, на металлической поверхности.

2. Установление взаимосвязи технологических параметров лазерной установки, тепло-физических свойств материала, параметров изображения и цветовых характеристик формируемой структуры;

3. Разработка технологии формирования многоцветного изображения на металлической поверхности под воздействием лазерного излучения с заданными цветовыми свойствами.

4. Разработка рекомендаций по применению технологии формирования многоцветного изображения и формирование базы данных технологических режимов обработки для декорирования металлических изделий.

Методы исследования

В качестве методологической базы использовался системный подход, предполагающий комплексность исследований во взаимосвязи друг с другом. Экспериментальные исследования проводились с использованием физико-химических и физико-механических методов (рентгеноструктурного качественного анализа, рентгеноспектрального микроанализа, цифрового оптического микроанализа и др.). Обработка результатов проводилась с применением методов математической статистики на ЭВМ и с использованием стандартных программ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые разработан способ формирования многоцветных изображений под воздействием лазерного излучения с учетом тепло-физических характеристик обрабатываемого материала.

2. Впервые проведен теоретический анализ условий формирования цветных оксидных структур на поверхности металла в результате воздействия импульсного лазерного излучения.

3. Разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать технологические режимы для формирования возможной цветовой палитры для данного металлического материала и получать изображения.

4. Установлено, что температурный диапазон формирования цветообразующей оксидной структуры под воздействием лазерного излучения определяется из условий обеспечения фазовых превращений в основном металле и формируемых оксидах.

5. Разработаны рекомендации по расчету режимов формирования оксидных структур с заданными цветовыми характеристиками для лазерных установок с длиной волны 1,064 мкм, с различной длительностью импульса.

Достоверность результатов и обоснованность основных положений и выводов диссертационной работы обеспечивается тщательной обработкой и обобщением большого объема экспериментальных данных по изучаемой проблеме.

Реализация работы

Диссертационное исследование выполнялось в рамках прикладных госбюджетных НИР кафедры Материаловедения и технологии материалов и покрытий ГОУВПО «СЗТУ» в рамках инновационного проекта «Решение проблемы получения полноцветного изображения термоимпульсным воздействием на поверхности металлических изделий»: Проект № 2.1.2/4150 «Исследование влияния лазерного излучения различной генерации на формирование в поверхностных слоях металла кластерных нано- и микроструктур оксидов металлов с различными цветовыми характеристиками» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», проект: «Формирование микро- и нанокластерных оксидных систем с заданными цветовыми характеристиками с целью получения полицветного изображения полиграфического качества на металлической поверхности под воздействием импульсного лазерного излучения» государственного контракта № П583 от 05.08. 2009 г. федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» и договоре о выполнении НИР на 2009-2011г.г. с ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» в рамках Государственного контракта от 15.06.2009г. № 02.740.11.0140.

Результаты работы используются в учебном процессе ГОУВПО СЗТУ:

- по специальности 261001.65 - Технология художественной обработки материалов при проведении лабораторных работ по дисциплине «Технология декоративных покрытий». Подготовлено пособие к лабораторным работам к опубликованию в составе учебно-методического комплекса (УМК).

- по специальности 150501.65 - Материаловедение в машиностроении при проведении практических занятий по дисциплине «Основы научных исследований». В учебный план 4-го курса введена новая дисциплина по выбору «Обработка материалов лазерным излучением».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях:

Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы управления техническими, информационными, социально-экономическими и транспортными системами», СПб, 2007г.; Третьей международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, 2009г.; Международной выставке-конгрессе Высокие технологии. Инновации. Инвестиции (Санкт-Петербург, 11-14 марта 2008 г., 22-25 сентября 2008 г.10-13 марта 2009 г.,10-12 марта, 2010 г.); Всемирной универсальной выставке IV Цивилизационного форума «Перспективы развития и стратегии партнерства цивилизаций», международном конкурсе инновационных проектов (Шанхай, 12-14 ноября 2010).

Работа была поддержана грантом Федерального агентства по образованию в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы».

Личное участие автора.

Все результаты исследований, изложенные в настоящей диссертации, получены самим автором при его непосредственном участии или под его руководством. Автор участвовал в постановке задач, проведении экспериментов, обработке и анализе результатов, разработке методологических подходов и формулировке основных выводов.

Публикации. По материалам диссертации имеется 7 публикаций и 1 Патент на изобретение. 4 работы опубликованы в рецензируемых научных журналах рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, включающего 129 наименований, одного приложения. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста, содержит 117 рисунков и 36 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описано состояние проблемы, обоснована ее актуальность, определены цели и задачи работы, изложена научная новизна полученных результатов, их практическая и научная значимость, даны сведения об апробации работы, представлены основные положения, выносимые на защиту, указан объем и структура диссертации.

В первой главе диссертации представлен анализ современного состояния вопроса, касающийся изучаемого вопроса.

Показано, что оксидные структуры, образующиеся на поверхности металла, обладают различными специфическими свойствами, находящими широкое применение в различных отраслях промышленности. Эти свойства определяются химическим составом и толщиной, которые в свою очередь зависят от условий протекания процесса образования оксидной пленки. Температурный режим образования оксидных структур находится ниже температуры плавления материала. Толщина оксидных образований не превышает 100 нм, что позволяет отнести образуемые структуры к нанопокрытиям. В многочисленных работах отмечается, что существует соответствие колориметрических характеристик толщине получаемых оксидных пленок. Поэтому эта взаимосвязь может быть использована для косвенной оценки толщины оксидных структур.

Результаты проведенных к настоящему времени исследований далеко не всегда применимы к лазерно-термическому способу получения оксидных пленок, имеющему свои закономерности и особенности. Зона воздействия лазерного излучения чрезвычайно мала по сравнению с площадью поверхности образца, поэтому оксидная структура возникает только в пределах зоны действия лазерного луча.

В результате анализа литературных источников выявлено, что к настоящему времени отсутствует теоретическая модель, позволяющая определять технологические параметры лазерной установки для формирования оксидной пленки с заданными колориметрическими характеристиками.

Во второй главе представлено оборудование, материалы и методика исследований. Показаны особенности лазерного излучения прецизионного лазерного маркировочного комплекса (ПЛМК) ДМарк-06 на основе импульсного Nd:YAG-лазера с длиной волны 1,064 мкм и результат воздействия импульсов различной мощности на металлические материалы. Проведена общая оценка термодинамической возможности самопроизвольного протекания окислительных реакций компонентов сплавов, на основе которой выбраны следующие материалы: нержавеющая сталь марок 08Х13, 12Х17 и 08Х18Н10Т, (лист толщиной 1,5 мм), технический титан ВТ10 (лист толщиной 1,5 мм), медь М1 (лист толщиной 1,8 мм). Материалы использовались в состоянии поставки после проката.

В таблице 1 приведен химический состав сталей, а в таблице 2 - физические свойства исследуемых материалов.

Таблица 1. Химический состав исследуемых материалов

Материал	Массовое содержание, %
	С	Cr	Ti	Ni	Si	Cu	Mn	P	S
08Х13	до 0,08	12,0-14,0	-	0,60	0,80	-	0,80	0,030	0,025
12Х17	до 0,12	16,0-18,0	0,20	0,60	0,80	0,30	0,80	0,035	0,025
08Х18Н10Т	до 0,08	17,0-19,0	0,4-0,7	9,0-11,0	0,80	0,30	2,00	0,035	0,020
ВТ1-0	до 0,07	-	98,61-99,7	до 0,04	-	-	-	-	-
М1	-	-	-	-	-	99,9	-	-	-

Таблица 2. Физические свойства исследуемых материалов

Показатель	08Х13	12Х17	08Х18Н10Т	ВТ1-0	M1
Температура плавления, С	1326	1320	1360	1668	1083
Плотность, кг/мЗ	7760	7720	7850	4320	8948
Коэффициент теплопроводности, Вт/(мС)	28	25	26	22	401
Удельная теплоемкость, Дж/(кгС)	462	462	504	523	390

Исследование химических свойств, геометрических параметров и конфигурации кластерных оксидных структур а также исследования химического и фазового составов проводились в лабораторных условиях и на оборудовании ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» и НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова.

Анализ химического состава проводился методом ренттеноспектрального микроанализа (РСМА) на сканирующем электронном микроскопе «TESCAN VEGA», оснащенном энергодисперсионным спектрометром «INCA Х-МАХ».

Определение фазового состава на поверхности стали после лазерной обработки проводилось на многофункциональном рентгеновском дифрактометре ULTIMA IY, фирмы Rigaku, снабженном запатентованной фирмой Rigaku CBO (Cross Beam Optics), комплексом управляющих программ и обрабатывающим комплексом PDXL (X-ray Powder Diffraction Software) по методике № Р1-99 «Методика качественного рентгеноструктурного фазового анализа». Лицензионная база порошковых дифракционных стандартов PDF-2 от 2008 года.

Формирование оксидных структур производилось путем воздействия лазерного излучения на поверхность материала образца при определенной комбинации варьируемых параметров, включающих - ток накачки диодной линейки, диапазон изменения 7…18 А, частоту следования импульсов, диапазон изменения 100…95000 Гц, скорость следования импульсов, диапазон изменения 3…1000 мм/с.

Результат воздействия на поверхность образца лазерного излучения характеризовался цветом образованных оксидных структур. Оценка толщины оксидной пленки и необходимая температура ее образования производилась по колориметрическим характеристикам и на основе литературных данных.

В третьей главе представлена разработка теоретической модели взаимосвязи теплофизических свойств металлов с параметрами лазерного излучения.

Исследования с использованием ПЛМК ДМарк-06 показали, что цветные образования формируются от воздействия зоны распространения тепла следующего импульса на участке материала, предварительно очищенного от естественной оксидной пленки оплавлением предыдущим импульсом вдоль строки - пути следования импульсов.

При этом, для формирования оксидной структуры, отпечатки следует накладывать друг на друга с некоторым сдвигом, чтобы область видимой цветной оксидной структуры перекрывала область ванны расплава.

Таким образом, для проведения теплового анализа была предложена схема наложения импульсов лазерной установки, представленная на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема наложения импульсов лазерной установки для расчета теплового баланса формирования оксидной структуры

На рисунке 1 приняты следующие обозначения: D - диаметр отпечатка луча лазера на поверхности материала, м; dx - смещение следующего импульса по обрабатываемой поверхности, м; t_a - температура нагрева металла в зоне воздействия луча лазера, С; t_x - температура, до которой успела охладиться предыдущая зона нагрева перед следующим импульсом, С; ?_и - длительность импульса, с; ?_охл - длительность охлаждения зоны, нагретой предыдущим импульсом, с; ?_x - смещение по времени воздействия следующего импульса, с.

Температура поверхности от мгновенного сосредоточенного источника тепла (t_a), действующего на полубесконечной пластине, может быть описана выражением:

,(1)

где - коэффициент поглощения обрабатываемого материала, _и - длительность импульса (с), Q_и - импульсная мощность (Дж), r - радиус отпечатка лазерного луча на поверхности материала (м), K - теплопроводность материала (Вт/(мград), ? - плотность материала (кг/м³), С - теплоемкость материала (Дж/(кгград).

Средняя и импульсная мощности лазерного излучения связаны известным соотношением:

, (2)

где F - частота следования импульсов, Гц; Q_ср - средняя мощность лазерного излучения (Вт).

Подставляя (2) в (1), получим

,(3)

Учитывая, что температуропроводность материала , уравнение (3) можно преобразовать к виду:

,(4)

где - параметр лазерной установки, - параметр обрабатываемого материала.

Для поддержания температуры обрабатываемого участка на уровне t_x (рисунок 1) необходимо, чтобы следующий импульс следовал через время _x после предыдущего, т.е. частота следования импульсов лазерного излучения составляла . При этом смещение положения следующего импульса по поверхности обрабатываемого материала должно составлять d_x со скоростью V. Связь между указанными величинами очевидна

V=d_xF.(5)

Из рисунка 1 видно, что частота следования импульсов при полном охлаждении обрабатываемой зоны должна составлять , где - время термического цикла (нагрев - охлаждение =_и+_охл).

Используя очевидное соотношение

, (6)

где ,

и приравнивая правые части выражений (4) и (6), получим

. (7)

Выражение (7) представляет собой уравнение второй степени относительно частоты следования импульсов (F), решая которое, получим

,(8)

где , .

Вторым корнем решения уравнения (7) можно пренебречь, т.к. его значение близко к частоте следования импульсов при полном завершении термического цикла, т.е. при полном охлаждении обрабатываемой зоны.

Анализ подкоренного выражения (8) позволяет определить предельную температуру, которую может поддерживать данная установка импульсного лазерного излучения на данном материале. Для подкоренного выражения должно выполняться условие

,

раскрывая которое, получим

или ,(9)

где первая дробь характеризует параметры лазерной установки, вторая - параметры обрабатываемого материала.

Экспериментально в работе было установлено, что зависимость диаметра отпечатка (D) от величины тока накачки диодной линейки для ПЛМК Д»Марк-06 может быть описана следующим образом

D=aLn(A-7)+b, (мкм) (10)

а изменение средней мощности выражением

Q_cp= 0,199(А-6)+0,031, (Вт)(11)

с величиной достоверности = 0,983,

где А - величина тока лампы накачки диодной линейки, А; a, b - эмпирические коэффициенты, зависящие от обрабатываемого материала.

Для получения цветных структур обработка поверхности лазерно - маркировочным комплексом производится построчно. Таким образом, чтобы температурные условия формирования второй строки не оказывали влияния на сформированную предыдущую строку, необходимо, чтобы строки не накладывались друг на друга. Исходя из этого, можно связать параметры изображения с параметрами ПЛМК следующим образом

,(12)

где L - линеатура (количество строк в 1 мм² изображения).

Тогда разрешение изображения определяется из условия:

.(13)

Для определения скорости перемещения лазерного луча по обрабатываемой поверхности воспользуемся таким параметром характеристики цвета, как длина волны.

Тогда, приняв величину смещения следующего импульса равной длине волны воспроизводимого цвета, т.е. dx=, выражение (5) примет вид:

V=F. (14)

Выражения (8) и (14) представляют собой расчетные формулы для определения технологических параметров ПЛМК ДМарк-06, при которых возможно формирование цветных оксидных структур на поверхности металла.

В четвертой главе представлены исследования поверхностных структур и цветовых характеристик формируемых оксидных систем на поверхности металлов под воздействием импульсов лазерного излучения. Экспериментальные исследования преследовали цель изучения химического и фазового составов цветных структур поверхности материала, обработанной лазерным излучением при различных технологических параметрах лазерной установки.

Микроскопическое исследование поверхностных структур и цветовых характеристик формируемых оксидных систем исследовались с помощью цифровой металлографии при помощи микроскопов Неофот и на металлургическом микроскопе RМM-8T.

Ренгеноструктурные исследования проводились с целью изучения структуры, фазового состава, типа текстуры цветных структур поверхности материала, обработанного лазерным излучением при различных технологических параметрах лазерной установки.

Исследовались обработанные лазерным излучением образцы из листовой стали 12Х17 и 08Х18Н10Т, а также листового титана ВТ1-0 и меди М1.

Так же были проведены исследования химических свойств образцов, характеристиками которых являются термическая и химическая устойчивость в агрессивных средах и повышенных температурах.

Отсутствие данных о влиянии импульсного лазерного нагрева на изменение колориметрических свойств поверхности материалов вызвало необходимость в качестве научного подхода воспользоваться известными данными о взаимосвязи цвета и толщины оксидной пленки, формируемой на поверхности материала в результате выдержки образцов при определенной температуре.

Исследование конфигурации структур на поверхности образцов из стали 08Х18Н10Т размером 10,0Ч10,0Ч1,5 мм проведено методом рентгеноструктурного анализа с использованием излучения Cu К и рентгеновского аппарата структурного анализа типа ДРОН - 3М. Подбор необходимых щелей для получения оптимальной интенсивности рентгеновских лучей и подбор режима съемки каждого из исследованных образцов осуществлялся в процессе получения рентгенограмм. При этом, для удобства, номер каждого образца оксидной структуры соответствовал скорости следования импульсов при формировании этой структуры. Результаты исследования сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Фазовый состав поверхности образцов, обработанных по различным технологическим режимам

№ образца (Скорость следования импульсов, мм/с)	6	8	10	12	14	16	18	20	22…44
Фазовый состав	-фаза,-фаза, М3О4	-фаза

Во всех образцах фазовое состояние поверхности представлено 3 типами структур: аустенит (-фаза), феррит (-фаза) и оксидная фаза типа шпинели (М₃О₄) на основе соединения (Fe, Cr)₃О₄.

Сравнение характера рентгенограмм для различных образцов позволяет предположить, что появление линий оксидной фазы типа М₃О₄ может быть связано с появлением ферритной фазы в процессе лазерной обработки поверхности. Была определена величина соотношения интенсивностей линии (110) ферритной фазы и линии (200) аустенитной фазы для исследованных образцов. В процессе исследований было выявлено, что появление линии оксидной фазы на рентгенограммах установлено только при наличии ферритной фазы. Кроме того, отсутствие ферритной фазы на поверхности образцов 22 - 44 сопровождается отсутствием оксида на поверхности, что подтверждает необходимость фазовых превращений для образования оксидных слоев.

В таблице 4 приведены результаты сопоставления соотношения интенсивностей линий -фазы и -фазы и наличие окисла М₃О₄ на поверхности исследованных образцов.

Таблица 4. Отношение интенсивности линий _{110 200} и наличие окисла на поверхности

№ образца (Скорость следования импульсов, мм/с)	Отношение интенсивности линий 110 200	Наличие окисла	Цвет
6	2,0	М3О4	Интенсивный
8	1,5	М3О4
10	1,5	М3О4
12	1,2	М3О4
14	0,7	М3О4
16	0,3	М3О4
18	0,1	Следы М3О4	Слабый
20	Следы -фазы	Следы М3О4
22-44	-фаза отсутствует	Окисел отсутствует	Отсутствует

На основании сравнения фазового состояния поверхности исследованных образцов, можно считать, что чем выше скорость следования импульсов (больше расстояние на которое смещается последующий импульс), тем ниже температура, поддерживаемая в зоне обработки. Этой температуры оказывается недостаточно для выделения из г-фазы хрома и перехода ее в -фазу, необходимую для формирования оксидного слоя на обрабатываемой поверхности. Следовательно, диапазон температур, необходимых для формирования оксидной структуры целесообразно выбирать исходя из интервала температур фазовых превращений. Аналогичные результаты получены и для других сталей.

Качественный рентгеноструктурный анализ, проведенный по обзорным съемкам образцов из сплава ВТ1-0, выявил в образцах следующее: на поверхности сплава ВТ1-0 голубого цвета обнаружены окислы TiO и Ti₂O₃; на поверхности желтого цвета максимальной насыщенности обнаружены окислы TiO и Ti₂O; на поверхности желтого цвета минимальной насыщенности обнаружены окислы TiO и Ti₃O.

Во всех образцах сплава ВТ1-0 присутствует полный дифракционный спектр -титана.

В пятой главе показаны технологические особенности использования лазеров различной конфигурации и мощности для формирования цветных оксидных структур.

В ходе исследований было установлено, что наиболее стабильные отпечатки, а значит и более предсказуемое воздействие на материал, были получены при обработке на ПЛМК ДМарк-06, МиниМаркер М10 и МиниМаркер М20. БетаМаркер имеет отпечаток неправильной геометрической формы, а также в силу технологических особенностей, чрезвычайно неравномерное распределение энергии по сечению луча.

Поскольку различные лазерные комплексы имеют различные основные параметры установки мощности излучения, необходимо было установить их взаимосвязь с целью проведения экспериментов в одинаковых условиях. С этой целью были проведены замеры мощности на реальных комплексах, обработка результатов которых позволила установить эмпирические зависимости средней мощности излучения в зависимости от технологических параметров, при этом средняя мощность излучения для установок ДиоМаркер Д10, МиниМаркер М10, МиниМаркер М20 задается как процент от максимальной мощности установки:

- для БетаМаркер 2010 P_cp= 0,9541(А-6)+1,2802,с R²= 0,9791;

- для ДиоМаркер Д10 P_cp= 0,4369(А-6)+0,0374,с R²=0,9942;

- для МиниМаркер М10 P_cp= 0,5(1+(P_%-25)/5)+0,4 ,с R²=1,0;

- для МиниМаркер М20 P_cp= 0,47(1+(P_%-20)/2)+0,63, с R²=1,0;

- для Д»Марк-06 P_cp= 0,1987(А-6)+0,0308, с R²=0,9831,

где P_% - мощность излучения, %, А - ток накачки, А, R² - достоверность уравнения аппроксимации.

На рисунке 2 по полученным данным представлена диаграмма взаимосвязи параметров лазерных установок ДМарк-06, МиниМаркер М10 и МиниМаркер М20.

Рисунок 2 - Диаграмма взаимосвязи параметров лазерных установок ДМарк-06, МиниМаркер М10 и МиниМаркер М20

Из приведенной диаграммы видно, что при токе лампы накачки лазерного комплекса ДМарк-06 - 13А, достигается мощность 1,45 Вт. Эту же мощность можно получить, задав 30% мощности на комплексе МиниМаркер М10, или 19% мощности на комплексе МиниМаркер М20.

Таким образом, можно найти аналитические зависимости эквивалентных технологических параметров установок.

В таблице 5 представлены значения импульсной мощности в режиме маркировки для каждой установки в зависимости от технологических параметров управления излучением.

Таблица 5. Импульсная мощность лазерных комплексов

Параметры	Лазерный комплекс
	ДМарк-06	БетаМаркер 2010	ДиоМаркер Д10	МиниМаркер М10	МиниМаркер М20
Максимальная средняя мощность излучения Pср, Вт	2,7	14,6	6,2	9,8	19,8
Диапазон изменения частоты следования импульсов комплекса, кГц	0,1-100	1-16	1-100	20-100	20-100
Частота следования импульсов f , Гц	3000	3000	3000	20000	20000
Длительность импульсов ?, нс	40	1000	10	100	100
Импульсная мощность Pi, Вт	22500	4900	200600	4900	9900

Таким образом, на различных лазерных комплексах можно подобрать такие технологические параметры, чтобы мощность излучения, от которой зависит формирование цветных структур, была одинакова.

Полученная в главе 3 теоретическая модель была разработана на основе технологических параметров ПЛМК ДМарк-06 и теплофизических данных определенных материалов. Тем не менее, моделью можно воспользоваться при расчете режимов формирования оксидных структур с заданными цветовыми характеристиками для лазерных установок с длиной волны 1,064 мкм как импульсных, с различной длительностью импульса, так и непрерывных.

При этом, для расчета технологических параметров непрерывного лазера достаточно за среднюю мощность принять мощность излучения, а частоту определить как величину, обратную времени воздействия ф. Время импульса можно рассчитать из соотношения для непрерывного лазера:

,

где d₀ - диаметр пятна лазера в зоне обработки; V_CK - скорость сканирования лучом по поверхности материала.

В шестой главе представлены результаты расчета технологических режимов обработки лазерным излучением. В качестве примера представлено изображение тестовой таблицы по рассчитанным режимам для стали 08Х18Н10Т с учетом возможных цветов формируемой палитры (рисунок 3).

Рисунок 3 - Изображение тестовой таблицы, полученное на стали 08Х18Н10Т:ток накачки 16 А; частота следования импульсов F=19,50…22,10 кГц, скорость обработки V=0,010…0,028 м/с.

На рисунке 4 представлены цветные изображения, полученные способом лазерной обработки по режимам, рассчитанным с использованием разработанной технологии (качество фотографий не в полной мере отражают оригинальные изображения).



а) б) в)

Рисунок 4 - Фотографии изображений, полученных по разработанной технологии и содержащих: а) 64 цвета; б) 56 цветов; в) 48 цветов

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана технология формирования воспроизводимого цветного изображения на металлических поверхностях с использованием лазеров.

2. Получена математическая модель, позволяющая управлять технологическим процессом формирования многоцветного изображения на металлических поверхностях под воздействием импульсного лазерного излучения.

3. Проведен общий анализ механизма формирования цвета за счет образования соединений металла с кислородом под воздействием лазерного излучения.

4. Изучено влияние особенностей различных лазеров на формирование цветного изображения на металлической поверхности. Установлены параметры лазеров и их типы, наиболее подходящие для реализации предложенной технологии формирования многоцветных изображений на металлической поверхности.

5. Разработана база данных технологических режимов обработки металлических материалов 08Х13, 12Х17, 08Х18Н9Т, ВТ1-0, М1 для формирования на этих материалах цветовой палитры оттенков в зависимости от их теплофизических свойств.

6. Получено значительное количество опытных образцов с многоцветными изображениями на различных материалах, содержащими от 8 до 64 цветовых оттенков в зависимости от полученной палитры.

7. Установлено, что температурный диапазон формирования цветообразующей оксидной структуры под воздействием лазерного излучения определяется из условий обеспечения фазовых превращений в основном металле и формируемых оксидах.

8. Установлено, что обеспечение требуемых температурных условий определяется не только прикладываемой мощностью лазерного излучения, но и взаимосвязью с расстоянием смещения лазерного луча по поверхности обрабатываемого материала, что в свою очередь определяет скорость перемещения луча лазера, а, следовательно, и производительность при формировании цветных изображений.

9. Результаты работы используются в учебном процессе по специальности 261001.65 - Технология художественной обработки материалов при проведении лабораторных работ по дисциплине «Технология декоративных покрытий».

10. Получен патент № 2357844 «Способ получения цветного изображения на металлических поверхностях»; авторы Афонькин М. Г., Звягин В. Б., Ларионова Е. В., Пряхин Е. И.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Северо-западный государственный заочный технический университет (СЗТУ) - №2007129546/02 ; заявл. 01.08.2007 ; опубл. 10.02.2009, Бюл. № 16.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

лазерный изображение многоцветный

Статьи в журналах, входящих в Перечень ВАК РФ

1. Афонькин, М.Г. Использование наноструктурированных информационных полей в технологии идентификации изделий машиностроения [Текст] / М.Г. Афонькин, Е.В. Ларионова // журнал «Автотранспортное предприятие», /М: НПП «Транснавигация», - 2008. - Вып. 7 (июль 2008г.). - С.46-48

2. Афонькин, М.Г. Применение современных технологий при декорировании художественных изделий из металла [Текст] / М.Г. Афонькин, Е.В. Ларионова // Журнал «дизайн. материалы. технология», / Спб: СПбГУТД, 2009. - Вып. 3 (10) - 100 с. - С.3-8

3. Пряхин, Е.И. Физико-химические аспекты формирования цветовых оттенков под воздействием лазерного излучения при декорировании металлических изделий [Текст] / Е.И. Пряхин, О.Ю. Ганзуленко, Е.В. Ларионова // Журнал «дизайн. материалы. технология», / Спб: СПбГУТД, 2010. - Вып. 2 (13) - 100 с. - С.52-56

4. Пряхин, Е.И. Особенности формирования цветных оксидных пленок на металлической поверхности под воздействием лазерного излучения [Текст] / Е.И.Пряхин, М.Г. Афонькин, Е.В. Ларионова // Журнал «дизайн. материалы. технология». технология», / Спб: СПбГУТД, 2010. - Вып. 3 (14) - 100 с. - С.75-80

Статьи, опубликованные в сборниках научных трудов

5. Ларионова, Е.В. Воздействие лазерного излучения на образование оксидной пленки металлических поверхностей [Текст] / Е.В. Ларионова // Сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы управления техническими, информационными, социально-экономическими и транспортными средствами», СПб 15-17 мая2007г. / СПб: СЗТУ.- 220. - С. 19-32

6. Ларионова, Е.В. Анализ тепловых условий наращивания наноструктурированных цветных оксидных пленок термоимпульсным методом [Текст] / Е.В, Ларионова // Сборник конкурсных работ Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2008», г. Новочеркасск, 17-23 ноября 2008 г. / Мин-во образования и науки РФ, Юж.-Рос. гос. техн. ун-т.(НПИ). - Новочеркасск: Лик, 2008. - 716 с. - С.184-186

7. Ларионова, Е.В. Особенности разрушения нано- и микроструктурных пленок, полученных под воздействием импульсного лазерного излучения [Текст] / Е.В. Ларионова, О.Ю. Ганзуленко // Сборник материалов Третьей международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, 12-15 октября 2009. Под общей редакцией академика О.А.Банных. -- M: Интерконтакт Наука, 2009, том 1, 527 с. (в 2-х томах). - С. 485-486

Патенты

8. Способ получения цветного изображения на металлических поверхностях [Текст] : пат. № 2357844 Рос. Федерация : МПК B 23 K 26/18 B 41 M 5/00 / Афонькин М. Г., Звягин В. Б., Ларионова Е. В., Пряхин Е. И.; заявитель и патентообладатель Северо-Западный государственный заочный технический университет (СЗТУ) - №2007129546/02 ; заявл. 01.08.2007 ; опубл. 10.02.2009, Бюл. № 16.

Размещено на Allbest.ru