Объекты культурно-исторического наследия имеют цветную декоративную отделку, которая обретает со временем тусклый вид под воздействием неблагоприятных условий окружающей среды. Для решения ряда проблем представленный проект предлагает создание технологии реставрации произведений декоративно- прикладного искусства с помощью лазерного излучения. Научная новизна разрабатываемого продукта заключается в разработке новой бесконтактной трехэтапной технологии восстановления цвета произведений декоративно- прикладного искусства с помощью лазерной обработки.

Предлагаемый подход состоит в разработке технологии восстановления цвета декоративных изделий культурно-исторического наследия при помощи лазерной обработки. С помощью новой технологии облучение образцов будет проводиться лазером, в ходе работы на поверхности образцов модельной углеродистой стали будет получено множество оксидных слоев с различными цветовыми оттенками. Лазерное окрашивание — это техника облучения поверхности, которая использует реакции пиролиза, заставляя металлическую матрицу реагировать с окружающим газом при высоких температурах и создавать слои оксида металла.

Для обработки образцов в экспериментах будет использоваться волоконный иттербиевый лазер с длиной волны 1064 нм. На разных этапах исследований будет использоваться различные значения выходных параметров и на поверхности образцов будет получены цветные оксидные пленки различных оттенков. Для этого будет использоваться локальный нагрев поверхности модельных образцов сфокусированным лазерным пучком. Лазер будет генерировать световые импульсы с длительностью 1–120 нс, частотой повторения 2–1000 кГц и максимальной средней выходной мощностью 50 Вт. Максимальная скорость сканирования пучка лазера будет составлять до 4000 мм/с, а заполнение линий в процессе сканирования – до 500 линий на миллиметр. Основная идея использования высокоскоростной системы сканирования и высоких значений частоты повторения импульсов (в диапазоне кГц) заключается в минимизации нагрева поверхности во время лазерной обработки. Перегрев может привести к разрушению поверхностей хрупких произведений искусства и их художественной отделки.

Следует заметить, что изделия на основе железа с художественной отделкой поверхности (воронением), подвергающиеся воздействию внешней среды, попадая в неблагоприятные условия, подвергаться коррозии. Это приводит к повреждениям, а иногда и полной утрате воронения. Для его восстановления необходимо удалить ржавчину, после чего можно попытаться восстановить исходный цвет декоративной отделки поврежденного объекта.

Разрабатываемая трехэтапная технология реставрации будет происходить следующим образом:

• Очистка поверхности от загрязнений и очагов коррозии.
Для очистки будет использоваться импульсный иттербиевый волоконный лазер (длина волны λ=1064 нм, мощность 7,5 Вт, длительность импульса τ=120 нс, частота повторения ƒ =10 кГц, скорость сканирования v=4000 мм/с). Происходит нагревание поверхность металла, вызывая испарение коррозии. Затем испарившийся материал удаляется при помощи потока газа и вакуумной системы. Во время процесса лазер также создает ударную волну, которая способствует дальнейшему вытеснению оставшихся на поверхности остатков. Эта ударная волна может контролироваться путем регулировки интенсивности лазерного импульса, что обеспечивает точную очистку без повреждения нижележащего металла.

• Полировка поверхности.
В процессе полировки лазерный луч будет направляться на поверхность металла, в результате чего она подвергается нагреву и плавится. Когда металл остывает и затвердевает, образуется более гладкая и блестящая поверхность. Параметры лазера тщательно контролируются, чтобы процессы плавления и застывания были точными и равномерными по всей поверхности. Для полировки будет использоваться импульсный иттербиевый волоконный лазер (длина волны λ=1064 нм, мощность 14 Вт, длительность импульса τ=50 нс, частота повторения ƒ =15 кГц, скорость сканирования v=4000 мм/с). Полировка поверхности образцов необходима для уменьшения шероховатости поверхности на тех ее участках, где была создана искусственная коррозия. Это требуется как для улучшения эстетического вида образцов, так и для создания условий для более эффективного повторного создания цветной оксидной пленки.

• Воронение.
Восстановление первоначального цветового оттенка на поверхности металлических образцов будет произведено путем лазерной обработки. Параметры лазера будут отрегулированы для достижения желаемого цвета. Изменение значений параметров лазера оказывает существенное влияние на цветовые свойства обрабатываемой поверхности, а кроме того, влияет на формирование поверхностной микроструктуры стали в результате изменения общего кумулятивного лазерного потока в зоне сканирования лазерного пучка. Для объективной оценки цветовых изменений между оригинальными и восстановленными цветами будет использован спектрофотометр.

Будет использован цветовое пространство CIE L∗a∗b∗, которое является одной из наиболее полезных систем для колориметрической идентификации. Оно позволяет легко оценивать цветовые различия, а его единичный вектор приблизительно идентичен цветовому разрешению человеческого глаза. Параметр L* представляет светлоту или темноту цвета, при этом L*=0 - черный, а L*=100 - белый. Параметры a* и b* описывают цвет с точки зрения его положения на оси красный-зеленый и синий-желтый.

Новизна разрабатываемой технологии заключается в создании трехступенчатой системы лазерной обработки художественных металлических изделий, включающей лазерную очистку и полировку поверхности с последующей лазерной обработкой для восстановления исходного оттенка цвета на поверхности декоративно-прикладных металлических изделий. Хотя лазеры уже использовались в реставрационной практике и прямые аналоги разработанных лазерных устройств в настоящее время существуют на международном рынке, их основное назначение - удаление природных и антропогенных загрязнений с исторических объектов.

Представленный в нашем проекте метод служит не только для удаления загрязнений с исторических объектов, но также выполняет функции полировки поверхности и восстановления первоначального цвета - воронения. Все эти возможности будут реализованы на одном устройстве без изменения лазерной системы. Такой подход позволит обеспечить локальный метод восстановления утраченный цвет декоративных изделий культурно-исторического наследия из металла на основе железа. Разработка данной технологии позволит по-новому подойти к решению задачи восстановления воронения, которая относится к разряду сложных задач современной музейной работы.

Предлагаемая технология призвана обеспечить быстрое и точное решение для восстановления поврежденных или обесцвеченных произведений искусства из стали. Разработка такой системы позволит повысить эффективность реставрационных процессов, снизить стоимость реставрации и создать значительную базу данных. Таким образом, представленное в проекте технологическое решение позволит создать экологически безопасный бесконтактный метод воронения, не требующий дополнительных расходных материалов.

На страницу проекта