Формирование структуры и свойств поверхностного слоя конструкционных и инструментальных сталей при лазерной циклической обработке наносекундной длительности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Ноздрина Ольга Владимировна

• Ноздрина Ольга Владимировна
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Ноздрина Ольга Владимировна

ВВЕДЕНИЕ

1. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ СТАЛИ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

1.1. Термообработка металлов

1.1.1. Термообработка металлов с помощью лазеров

1.1.2. Лазеры, применяемые для термообработки материалов

1.2. Структура и свойства материалов при лазерном воздействии

1.2.1. Оптические свойства металлов

1.2.2. Плавление и испарение металлов

1.3. Фазовые превращения в металле при лазерном воздействии

1.3.1. Механизм трансформации при упрочнении

1.3.2. Механизм формирования аустенита

1.3.3. Механизм формирования мартенсита

1.3.4. Остаточный аустенит

1.4. Лазерное воздействие наносекундной длительности

Выводы по главе

2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Материал для исследования

2.2. Технологическое оборудование для импульсного воздействия с наносекундной длительностью

2.3. Комплекс для исследования процессов, возникающих при лазерном воздействии наносекундной длительности

2.4. Режимы и методика воздействия лазерного излучения на материалы

2.5. Методики проведения структурных и фазовых исследований

2.6. Рентгеновская дифрактометрия

3. ПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКЕ МАТЕРИАЛОВ

3.1. Влияние плазмодинамических процессов на энерговклад излучения в материал

3.2. Теоретическая оценка давлений, создаваемых в материале при лазерном облучении

Выводы по 3 главе

4. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ ПРИ НАНОСЕКУНДНОМ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

4.1. Кинетика заглубления при лазерной обработке сталей

4.2. Влияние термического воздействия на структуру сталей

4.2.1. Основные подходы при оценках параметров нагрева материала

4.2.2. Воздействие лазерного излучения без смещения импульсов

4.2.3. Воздействие излучения при наложении (частичном смещении) лазерных импульсов

4.3. Влияние термического воздействия на механические свойства сталей

4.4. Формирование периодического рельефа на облучаемой поверхности материала

Выводы по 4 главе

5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

5.1. Использование результатов диссертационной работы на промышленных предприятиях

5.2. Использование результатов диссертационной работы в образовательном процессе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время широкое распространение получили различные способы обработки металлов с помощью высокоинтенсивных источников энергии (сильноточные электронные пучки, мощные ионные пучки, лазерное излучение) с высокой скоростью обработки. В частности, лазерная обработка широко используется в производстве для резки, сварки, закалки, наплавки, напыления, гравировки, маркировки и т.д.

Неоспоримыми преимуществами лазерной обработки являются возможность воздействия на больших расстояниях, в различных средах, отсутствие контакта с материалом, высокие скорость обработки, повторяемость, точность позиционирования, малые зоны воздействия, обработка труднодоступных мест и труднообрабатываемых материалов, автоматизация процессов.

Во многих производственных процессах в металлургии используются металлические клише (рельефное изображение для отпечатков) и штампы (инструмент для обработки материалов давлением). Одним из наиболее распространённых методов изготовления клише и штампов является лазерная гравировка. Лазерная гравировка - технологический процесс, предназначенный для получения на поверхности материала заданного рельефа путем испарения или поверхностной модификации материала в зоне лазерного воздействия. Как правило, необходимый рельеф клише и штампов получают путем циклического повторяющегося воздействия лазерного излучения с целью послойного удаления материала - глубокой гравировки. Неоспоримыми преимуществами изготовления клише с помощью лазерной обработки по сравнению с механической обработкой являются локализация воздействия, возможность обработки труднодоступных мест на значительном расстоянии, твердых и хрупких материалов.

Необходимый рельеф на поверхности получают путем многократного воздействия лазерных импульсов по поверхности, при этом импульсы могут накладывать друг на друга. Известно, что для осуществления режима испарения металла с наибольшей эффективностью целесообразно использовать лазерное излучение с плотностью мощности ~ 107... 109 Вт/см2 при длительностях импульса

~ 10"7...10"9 с. Воздействие лазерного излучения при таких длительностях импульса имеет тепловой характер.

Свойства материала в зоне лазерного воздействия определяются структурой металла и ее химическим составом. Однако результат многократного воздействия перекрывающимися лазерными импульсами на поверхность металла возможно будет отличаться от полученного при единичных импульсах. Выявление закономерностей формирования структуры в зоне обработки в зависимости от параметров (длина волны, частота, длительность, плотность мощности, цикличность) лазерного воздействия является важной научно -практической задачей в материаловедении. Поэтому исследование образовавшейся структуры в зоне лазерного воздействия и приповерхностных слоях, возникающие при воздействии процессы (образование пароплазменного факела, локальное повышение температуры и давления), формирование уникальных эксплуатационных свойств материала является актуальной задачей в области физики конденсированного состояния.

Степень разработанности темы. На сегодняшний день вопросы лазерной обработки материалов (аддитивные и сварочные технологии, маркировка, резка, прошивка отверстий, термоупрочнение) рассматриваются большим количеством научных и производственных групп по всему миру. В России лазерными технологиями в производстве занимаются в Лазерном центре АО «ЦТСС», ООО «Лазерный центр», ИТПМ СО РАН, ООО «ИЛиСТ», МГТУ им. Н. Э. Баумана, ПК 8 «Лазерные производственные технологии» технического комитета ТК 296 «Оптика и фотоника», ООО НТО "ИРЭ-Полюс", АО "ЛЛС", АО "Лазерные системы" и т.д. В частности, к настоящему моменту сформированы общие представления о результатах воздействия лазерных импульсов с плотностью мощности ~ 107...109 Вт/см2 при времени воздействия ~ 107...10-9 с. Многослойное цикличное лазерное воздействие рассматривалось в работах P. J. Bartolo, D. Teixidor и др. Влияние частичного перекрытия лазерных импульсов на результат маркировки исследовалось в работах Л. Соботовой, С. А. Кочергина, J. Qi, S. L. Campanelli, C. Leone, Л. Лазова и др. Однако вопросы многократного

воздействия накладывающихся друг на друга импульсов мало освещены в

теоретических исследованиях и практических разработках, что определяет

необходимость проведения исследований в области выявления влияния

параметров лазерного излучения на структуру и свойства материала в зоне лазерного воздействия и вблизи ее.

Целью работы является выявление закономерностей формирования структуры и свойств конструкционных и инструментальных сталей при циклическом воздействии мощными лазерными импульсами наносекундной длительности.

Реализация данной цели потребовала решения следующих задач:

1. Исследовать механизмы формирования структуры и свойств материала при воздействии циклических наносекундных импульсов лазерного излучения с различными параметрами.

2. Исследовать влияние различных факторов (скорость обработки, время воздействия, цикличность) на скорость удаления материала при лазерной обработке стали наносекундными импульсами.

3. Установить влияние пароплазменного факела, возникающего при лазерной гравировке, на энерговклад лазерного излучения в металл, определить параметры факела.

4. Провести оценку величины давлений, возникающих при лазерном воздействии на сталь.

5. Провести промышленные испытания деталей, подвергнутых лазерной обработке в соответствии с разработанными режимами обработки.

Научная новизна.

1. Установлена возможность реализации режима глубокой гравировки (удаления материала), при котором структура и свойства материала в зоне лазерного воздействия не изменяются.

2. Выявлена зависимость глубины проплавления от степени наложения наносекундных лазерных импульсов с плотностью мощности ~ 109 Вт/см2. При

перекрытии последовательных лазерных импульсов свыше ~ 97% происходит эффективное увеличение глубины проплавления стали. При перекрытии импульсов более ~ 99,9% глубина проплавления остается прежней.

3. Установлена и научно обоснована связь между длительностью импульсов воздействия 50 .200 нс и глубиной проплавления сталей. Глубина проплавленного материала может составлять от 120 мкм (при единичных импульсах воздействия) до 600 мкм (при циклическом воздействии накладывающимися импульсами излучения).

4. Выявлено, что при воздействии лазерного излучения с плотностью энергии, соответствующей характерным режимам лазерной гравировки (~ 50 Дж/см2), эффективность энерговклада в материал зависит от размера зоны воздействия (диаметр зоны от ~ 100 мкм до ~ 1 мм). Для объяснения этого эффекта предложен механизм взаимодействия лазерного излучения с материалом, в основе которого лежит процесс формирования скачка уплотнения в воздушной среде при сверхзвуковом расширении пароплазменного факела.

5. Определены критические значения плотности потока энергии лазерного излучения, свыше которых эффективность энерговклада монотонно снижается с ростом уровня лазерного воздействия. Для объяснения этих закономерностей предложен механизм, в основе которого лежит процесс, связанный с поглощением лазерного излучения в скачке уплотнения и частичной блокировкой лазерного излучения.

Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов обусловлена корректностью постановки задач исследования, комплексным подходом к их решению, использованием апробированных экспериментальных методик, согласием экспериментальных данных с теоретическими оценками, отсутствием противоречия с данными, полученными другими авторами.

Научная и практическая значимость работы. Установлена возможность реализации лазерной гравировки без оказания остаточного теплового воздействия на материал (вокруг зоны обработки). Показано, что с помощью лазерных

импульсов наносекундной длительности может быть достигнута глубокая (до 600 мкм) модификация материала. Полученные при выполнении работы результаты предложены для расширения сферы использования лазерных промышленных граверов, в том числе для повышения эксплуатационных свойств стальных деталей путем наносекундной лазерной обработки. Практическая значимость подтверждена справками и актами использования результатов.

Методология и методы исследования. Лазерное воздействие производилось на технологическом лазерном комплексе, оборудованном иттербиевым импульсным волоконным лазером (длина волны излучения 1064 нм, изменяемая длительность импульса в диапазоне 1 ...200 нс). Единичные импульсы моделировались на экспериментальном лабораторном стенде, оснащенном Nd: YAG - лазером с аналогичными характеристиками излучения, обеспечивающем синхронные многопараметрические измерения (реактивного импульса отдачи при расширении пароплазменного факела, интенсивности его свечения, параметров лазерного импульса) с высоким (не хуже 10 нс) временным разрешением.

Определялись параметры шероховатости и микротвердости материала. Микротвердость измерялась с помощью микротвердомеров HVS-1000A и ПМТ-3.

Исследования проводились с использованием методов оптической (микроскоп CarlZeiss AxioObserver A1.m), электронной сканирующей микроскопии (СЭМ) (микроскоп JEOL JSM-7500FA).

Рентгеноструктурный анализ проводился путем анализа дифрактограмм исследуемых образцов, полученных на дифрактометре Shimadzu XRD -7000S.

Исследование процессов трения проводилось на универсальной испытательной машине УМТ-3.

Положения, выносимые на защиту:

1. При лазерном воздействии на поверхность сталей с длительностью импульсов от 50 до 200 нс и плотностью энергии от 40 до 50 Дж/см2 реализуется

режим глубокого проплавления материала со скоростью фронта проплавления свыше 1 км/с.

2. При перемещении по поверхности материала импульсно-периодического лазерного излучения с длительностью импульса от 50 до 200 нс и периодом следования 50 мкс с наложением лазерных пятен свыше 97% образуются узкие глубокие зоны (80 х 600 мкм) переплавленного материала, микротвердость в которых увеличивается до 5 раз. Такие зоны оказывают значительное влияние на механические свойства материала, в частности, происходит увеличение износостойкости обработанной стали до 3 раз.

3. При воздействии на материал лазерным пучком диаметром ~ 1 мм при высоких плотностях энергии более 40 Дж/см2 начинается блокировка подводимого лазерного излучения пароплазменным факелом, что приводит к уменьшению энергетического вклада лазерного излучения в материал. При воздействии лазерным пучком с диаметром ~ 100 мкм обеспечивается близкий к 100% вклад энергии лазерного излучения в материал вплоть до уровней воздействия 70 Дж/см2. Причиной такого несоответствия является различие в геометрии разлета пароплазменного факела, которая ближе к плоской в первом случае и ближе к сферической - во втором.

Личный вклад автора заключается в анализе литературных данных, модернизации лабораторного оборудования под задачи исследований, планировании и проведении экспериментов по лазерному воздействию на материал, подготовке образцов к исследованиям, измерении характеристик материала, обработке, анализе и интерпретации экспериментальных данных, теоретических оценок результатов воздействия, подготовке материалов для публикаций и выступлений, формулировании выводов.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует специальности 01.04.07 - физика конденсированного состояния пп. 6 и 7 (п. 6. «Разработка экспериментальных методов изучения физических свойств и создание физических основ промышленной технологии

получения материалов с определенными свойствами»; п. 7 «Технические и технологические приложения физики конденсированного состояния»).

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях: XXI Международная конференция Металлургия: технологии, инновации, качество, Новокузнецк, 2019; VI Международный конгресс Energy Fluxes and Radiation Effects, Томск, 2018; International Conference on Advanced Engineering and Technology, Инчон, Южная Корея, 2017; Международная конференция Современные металлические материалы и технологии, С -Пб, 2017; V Международный конгресс Energy Fluxes and Radiation Effects, Томск, 2016; International Conference on Advanced Materials, Structures and Mechanical Engineering, Инчон, Южная Корея, 2015; Международная конференция Современные металлические материалы и технологии, С-Пб, 2015; International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems, Томск, 2015; Международная конференция Физическая мезомеханика многоуровневых систем -2014 . Моделирование, эксперимент, приложения, Томск, 2014; Международная конференция Современные техника и технологии, Томск, 2014; Международная конференция Высокие технологии в современной науке и технике, Томск, 2014; VI Международная школа Физическое материаловедение, Новочеркасск, 2013; Международная конференция Современные техника и технологии, Томск, 2013; Международная конференция Высокие технологии в современной науке и технике, Томск, 2013; II Студенческий научный фестиваль Свои исследования - миру, Томск, 2013; VII Университетская конференция 0птотехника-2012, Томск,

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 20 работах, в том числе в двух статьях в журналах, входящих в Перечень, рекомендованный ВАК для публикации результатов диссертационных исследований, 10 статьях, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация включает в себя введение, пять глав, основные выводы, список литературы из

наименований, приложение, изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 85 рисунков, 5 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю В. П. Ципилеву и научным консультантам И. Ю. Зыкову и А. Г. Мельникову за поддержку в выполнении работы, помощь при постановке задач и обсуждении полученных результатов, В. И. Олешко за содействие в проведении экспериментальных исследований, сотрудникам ИФПМ СО РАН: С. Ю. Тарасову и А. В. Филиппову.

1. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ СТАЛИ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

В настоящей главе проведен анализ литературных источников, описывающих современную ситуацию по проведенным исследованиям при воздействии лазерного излучения на металлические материалы [1, 2]. Рассмотрены основные теоретические и экспериментальные результаты работ по исследованию свойств материалов в результате лазерной обработки, формирующегося структурно-фазового состава металлов и сплавов. Проанализированы работы по моделированию импульсного лазерного воздействия. Отмечены области практического использования глубокой лазерной гравировки.

На основе анализа сформулирована цель исследования, поставлены задачи.

1.1. Термообработка металлов

Для повышения стойкости деталей их подвергают термообработке, проводя полную, либо частичную закалку. Обычно в таких случаях используют методы, основанные на диффузии (цементация, азотирование, нитроцементация), низкоуглеродистую сталь нагревают в объеме, внешне дополнительно подают углерод и другие легирующие элементы для дальнейшего диффундирования в поверхностном слое, а затем материал подвергают быстрому охлаждению на воздухе, в воде или масле для получения необходимой твердости. Селективное упрочнение заключается преимущественно в захвате диффундирующего свободного углерода в стали во время быстрого нагрева, что повышает твердость материала сильнее, чем после обычных фазовых превращений [3]. Для достижения избирательной закалки обычно используют методы с использованием индукции, пламени, дуги. На самом деле каждый из таких методов имеет серьезные недостатки, такие как плохая воспроизводимость, необходимость вспомогательной закалки, экологические проблемы, нерегулируемые искажения и длительный процесс установки времени необходимого режима для обработки (таблица 1.1). Лазерная термообработка включает как интенсивный нагрев, так и быстрое самоохлаждение, которые делают поверхности устойчивыми к теплу, износу,

усталости, разрушению, эрозии и коррозии [4]. В случае лазерного термоупрочнения материал и энергия используются эффективно, что также увеличивает долговечность службы обработанных изделий [ 5, 6].

Таблица 1.1 - Сравнение методов термообработки

Обработка Лазер Электронный пучок Индукционная закалка Науглероживание Пламя Дуга

Макс. глубина обработки, мм 1,5

Деформация низкая низкая средняя средняя сильная средняя

Пластичность материала высокая высокая средняя низкая средняя средняя

Точность высокая высокая средняя средняя низкая низкая

Квалифицированное обслуживание среднее среднее среднее среднее высокое высокое

Влияние на окружающую среду низкое низкое низкое высокое среднее среднее

Необходимость закалки нет нет иногда да да нет

1.1.1. Термообработка металлов с помощью лазеров

Процессы плавления и испарения металлов с помощью лазеров лежат в основе многочисленных технологических процессов в области

металлообработки [7]. Это лазерная сварка и лазерная термообработка поверхностей (например, закалка сталей), пробивка отверстий, в том числе в таких тугоплавких и твердых материалах, как сапфир и алмаз, раскрой листовых материалов [8-12]. Очевидными перспективными отличиями лазерных технологий являются предельно высокая пространственная локализация воздействия, исключительная непродолжительность воздействия, позволяющая локализовать пространственно область теплового воздействия, управляя размером зоны лазерного воздействия, бесконтактность, возможность строгой дозировки воздействия [13-15].

Эти особенности делают лазерные технологии в ряде случаев не только прогрессивными, но и незаменимыми. В основе всех этих технологий лежат процессы плавления и испарения твердого тела с помощью лазерного воздействия.

Применяемый в практике термин "лазерное упрочнение" включает в себя, как правило, широкий спектр физических процессов, протекающих вследствие лазерного термического воздействия на материалы и сплавы [16]. Интенсивный лазерный поток поглощается приповерхностным слоем и приводит к структурным изменениям, зависящим от режимов лазерной обработки и физических свойств обрабатываемых материалов. Поэтому термин "лазерное упрочнение" следует понимать как процесс целенаправленного изменения структурно-чувствительных механических свойств материалов и сплавов посредством лазерного термического воздействия. Основываясь на том, что большинство механических свойств структурно-чувствительны, следует обращать особое внимание на закономерности структурообразования при вариациях условий и режимов лазерной обработки [17, 18].

Любая термическая обработка заключается в нагреве сплавов при различных температурах и охлаждении их с разными скоростями. При этом изменяются фазовое состояние и структура сплавов и, вместе с тем, в широких пределах изменяются их физические и механические свойства [19]. Энергетические параметры лазерного воздействия (плотность мощности, длительность воздействия, коэффициент поглощения лазерного излучения

поверхностью) и физические свойства обрабатываемого материала (коэффициент температуропроводности, коэффициент диффузии в твердой фазе) определяют тепловые и диффузионные процессы, приводящие к тем или иным структурным изменениям и фазовым превращениям. В зависимости от степени теплового влияния на приповерхностные слои лазерное упрочнение подразделяется на отжиг, гомогенизацию, отпуск, лазерную закалку, перекристаллизацию (или оплавление поверхности), высокоскоростную перекристаллизацию [20]. На рисунке 1.1 представлены основные энергетические параметры перечисленных процессов.

Отметим особенности протекания приведенных на рисунке 1.1 процессов в условиях высокоскоростного лазерного нагрева. Гомогенизация и соответствующий ей отжиг — процесс, который в практике термической обработки используется для устранения неоднородностей. Лазерная гомогенизация чаще всего используется как первый этап лазерной обработки с целью уменьшения структурных неоднородностей в приповерхностных слоях [21].

Отпуск — процесс нагрева закаленной стали, при котором распадаются мартенсит и остаточный аустенит. В структуре стали при скоростном лазерном отпуске следует ожидать получения очень мелких карбидов ввиду кратковременности воздействия. Поэтому после лазерного отпуска, по сравнению с печным отпуском, сталь имеет более высокую прочность, твердость, ударную вязкость, меньшую хрупкость.

Закалка. Термин "лазерная закалка" применительно к железоуглеродистым сплавам широко используется в современной литературе, обобщая в себе, как правило, весь диапазон видов лазерной термической обработки, т.е. лазерного термоупрочнения. Характерной чертой лазерной закалки является высокая скорость нагрева и охлаждения порядка 102...108 К/с.

Высокая скорость охлаждения при превращении высокотемпературной фазы — аустенита в железоуглеродистых сплавах приводит к сильному переохлаждению последнего (около 600 К), в результате чего появляются метастабильные фазы, не учтенные на диаграмме фазового равновесия. Поэтому во всем энергетическом диапазоне лазерного упрочнения имеет место мартенситное

превращение переохлажденного аустенита, что и обуславливает появление закалочных структур в зоне лазерного воздействия углеродистых сталей.

Рисунок 1.1 - Диаграмма разновидностей лазерной технологии по энергетически-временным параметрам (Е - плотность мощности, т - длительность воздействия)

Оплавление поверхности применяют для реализации следующих целей. Во-первых, с целью увеличения толщины упрочненного слоя при лазерной закалке и, во-вторых, с целью изменения микрогеометрии поверхностного слоя. Лазерное оплавление широко применяется для деталей из порошковых сплавов с целью улучшения микрорельефа поверхности и увеличения плотности поверхностного слоя. Однако при использовании такой технологии необходимо учитывать гидродинамическое перемешивание расплава под действием термокаппилярных сил. В зоне оплавления возникают высокие градиенты поверхностного натяжения и, вследствие этого, образуется циркуляционное движение в жидкости. Изменение давления внутри расплава требует компенсации, что искривляет поверхность жидкой ванны. Лазерная закалка с оплавлением поверхности чаще всего выполняется для увеличения толщины зоны лазерного воздействия. Однако

2

микротвердость структурных слоев зоны оплавления может быть существенно ниже микротвердости в зоне отсутствия оплавления.

Высокоскоростная перекристаллизация - инструмент для формирования метастабильных фаз в твердых растворах систем сплавов, позволяющий получить структурное состояние, существенно отличающееся от равновесных условий кристаллизации. В частности, было показано, что при быстрой кристаллизации возможно появление ячеистых, полосчатых и химически однородных микроструктур, а также образование новых выделенных метастабильных фаз. Также такие процессы применяются для получения микроструктур с более равномерным распределением примеси. Высокоскоростная кристаллизация охватывает скорости роста структур в диапазоне от 10-2 до 102 м/с (получено глубоким переохлаждением материалов). В процессах лазерной высокоскоростной кристаллизации скорость движения границы раздела фаз достигает 4 м/с, что существенно выше определенных пределов, достигнутых при кристаллизации отливок, и сравнима со скоростями кристаллизации, достигнутыми методами электромагнитной левитации. При таких скоростях роста равновесные процессы на границе раздела фаз не имеют места, и следует рассматривать процессы структурообразования с точки зрения формализма локально неравновесной кристаллизации. При скоростях движения границы раздела фаз свыше 1 м/с для сталей описание массообменных процессов вблизи фронта кристаллизации возможно только c учетом характерного эффекта локально-неравновесной кристаллизации - диффузионной релаксации растворенных компонентов примесей в сплавах [22].

1.1.2. Лазеры, применяемые для термообработки материалов

В последние три десятилетия в области термообработки были хорошо известны три различных типа лазерных источников: CO2, Nd: YAG и диодные лазеры высокой мощности. До конца прошлого века СО 2-лазер был чуть ли не единственным лазером, который был способен обеспечить сочетание плотности

мощности и времени взаимодействия излучения с веществом, необходимого для появления упрочнения. С конца 1990 -х развитие Nd: YAG лазеров с мощностью в несколько киловатт с накачкой лампой -вспышкой, а позже - диодной накачкой обеспечило появление альтернативного источника с рядом преимуществ. Одним из основных преимуществ Nd: YAG лазера является то, что длина волны лазерного излучения (обычно 1,064 мкм) позволяет лазерным лучам быть доставленными посредством оптического волокна с относительно низкими потерями энергии. Это позволяет тракту, по которому проходит излучение, быть изогнутым на пути к мишени. Следовательно, Nd: YAG лазеры, обеспечивающие высокие уровни мощности лазера, могут быть применены в составе с манипулирующим роботом, что делает их идеальными для трехмерной обработки. Гораздо позже были изобретены киловаттные диодные лазеры с длиной волны около 0,8 мкм; они компактны и могут быть установлены непосредственно на роботе для упрочнения компонентов со сложной геометрией. По сравнению с длиной волны СО 2-лазера (около 10,6 мкм), длины волн света из Nd: YAG и диодных лазеров значительно сильнее поглощаются на поверхности металла [23].

В результате Nd: YAG и диодные лазеры были применены в области различных обработок сталей и их сплавов.

В течение последних десятилетий разработки в области волоконных лазеров высокой мощности сильно продвинулись вперед [24]. Из лабораторных наборов, доставляющих излучение с милливаттной выходной мощностью в начале 1990 -х, волоконные лазеры развились в лазерные комплексы мощностью до нескольких киловатт для использования в промышленной обработке материалов [25]. В основе эволюции волоконных лазеров лежат две технические разработки: промышленная оптическая связь создала первые технологии для повышения пропускной способности одномодовых волокон, а промышленная оптоэлектроника сделала мощнее лазерные диоды, необходимые для накачивания волокон. Высокий уровень мощности волоконного лазера в значительной степени зависит от наличия надежных и долговечных систем диодной накачки.

Для локализованного упрочнения в настоящее время используют Nd: YAG и диодные лазеры, поскольку они сочетают в себе более высокий КПД и лучшее поглощение металлами из-за работы в более коротковолновом диапазоне длин волн, а также эти лазеры имеют малые затраты на обслуживание (таблица 1.2).

Таблица 1.2 - Сравнение промышленных лазеров различных типов [5]

Параметр Требуется для использования в промышленности CÜ2-лазеры Nd: YAG с ламповой накачкой Nd: YAG с диодной накачкой Диодные лазеры Волоконные лазеры

Выходная мощность, кВт

Потребля емая электрическая мощность, кВт Как можно меньше

Длина волны, мкм Как можно меньше 10,6 1,064 1,064 0,8...0,98 1,07

Расходимость пучка, мм-мрад <10 3...6 22 22 >200 1,3.1,4

Продолжение таблицы

Параметр Требуется для ис-пользования в про-мышлен-ности CO2-лазеры Nd: YAG с ламповой накачкой Nd: YAG с диодной накачкой Диодные лазеры Волоконные лазеры

КПД, % >20

Дальность доставки излучения волокном, м 10...300 Отсутствует

Стабиль-ность выходной мощности Как можно выше Низкая Низкая Низкая Высокая Очень высокая

Чувствительность к обратному отражению Как можно ниже Высокая Высокая Высокая Низкая Низкая

Занимаемая площадь, м2 Как можно меньше 10...20 11 9 4 0,5

Стоимость обслуживания, отн. ед. Как можно меньше 1.1,5 1 4...12 4...10 0,1

Продолжение таблицы

Параметр Требуется CÜ2- Nd: YAG Nd: YAG Диодные Волокон-

для ис- лазеры с с лазеры ные

пользова- ламповой диодной лазеры

ния в про- накачкой накачкой

мышлен-

ности

Периодич-

ность замены ламп или лазерных Как можно больше — 300.500 2000.50 00 2000...50 00 >50

диодов, ч

Расход Как

воды, м3/ч можно меньше 10 22 15 8 1,2

Необходи-

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование структуры и свойств поверхностного слоя конструкционных и инструментальных сталей при лазерной циклической обработке наносекундной длительности»

мость

контроля Нет Нет Да Да Да Нет

качества

воды

Мобильность Максимальная Нет Нет Нет Ограниченная Высокая

На рисунке 1.2 показано поглощение лазерного излучения на разных длинах волн для различных металлов [26]. Так как различные виды сталей поглощают излучение CO2 - лазера с довольно низкой эффективности (около 2 - 5%), на стали можно наносить поверхностное покрытие до обработки, чтобы увеличить поглощение лазерного излучения. В то время как излучение Nd: YAG, диодных и волоконных лазеров с диодной накачкой может быть поглощено сталями примерно

на 35 процентов или более и, следовательно, покрытие поверхности или другие виды предварительной обработки не нужны.

Рисунок 1.2 - Поглощение металлами лазерного излучения разных длин волн

Рассуждая о поглощении лазерного излучения различных длин волн металлами следует учитывать уровни лазерного воздействия [27]. При малых значениях плотностей воздействия лазерного потока создаваемая на поверхности металлов температура низка, а отражательная способность высока, что особенно важно для длинноволнового излучения СО2 - лазеров. При увеличении уровней лазерного воздействия повышается и температура, вследствие чего уменьшается электрическая проводимость металлов и возрастает коэффициент поглощения [28].

Значительное влияние на поглощательную способность при невысоких уровнях воздействия оказывает состояние поверхности (ее шероховатость, загрязнение). Оксидная пленка (образуемая в окислительной среде, например, на воздухе) увеличивает поглощение. Для обработки гладких полированных поверхностей рекомендуется наносить специальные поглощающие покрытия (полученных химическим способом, либо красящие составы), учитывая

Твердотельный 532 нм

355 нм Твердотельный

1064 нм

СО;

10,6 мкм

0

0.1 0 2 0 3 0 5 1.0 2 6 810 20

Длина волны, мкм

поглощаютельную способность покрытия к воздействующей длине волны лазерного излучения, его высокую теплопроводность и адгезию к материалу.

Однако при высоких уровнях лазерного воздействия применение покрытий нецелесообразно (рисунок 1.3).

1 - термообработка, 2 - сварка, 3 - газолазерная резка, 4- пробивка отверстий,

5 - размерная обработка

Рисунок 1.3 - Эффективный коэффициент поглощения Лег при различных

уровнях лазерного воздействия qs

Возвращаясь к видам лазеров стоит отметить, что появление волоконных лазеров стало прорывом в лазерной технике [29]. Они имеют большие мощности излучения, можно получать излучение высокого качества, длины волн излучения могут варьироваться в широких пределах. При этом волоконные лазеры обладают рекордно высокими уровнями эффективности, в отличие от других видов лазеров не требуют постоянного технического обслуживания (не требуют постоянных юстировок и настроек, простые требования к техническому обслуживанию), заключены в монолитный блок, который может находиться на значительном расстоянии от обрабатываемого материала (излучение может быть доставлено по

волоконному световоду), невероятно компактны и обладают малой чувствительностью к окружающим условиям (устойчивы к пыли, влаге, механическим воздействиям) - все это значительно упрощает использование лазерных комплексов на производстве [30, 31].

1.2. Структура и свойства материалов при лазерном воздействии

При описании процесса воздействия лазерного излучения на твердые непрозрачные тела (металлы, полупроводники, диэлектрики) можно выделить три стадии: нагревание без фазовых переходов; плавление и испарение; ионизация испаряемого вещества и образование плазмы [32].

1.2.1. Оптические свойства металлов

В инфракрасной и видимой области оптического диапазона металлы сильно отражают падающее излучение. Интенсивное рассеяние света происходит в результате его взаимодействии со свободными электронами в металлах, концентрация которых достигает 1022 - 1023 см-3. Колебания электронов создают вторичные волны, которые формируют сильную отраженную волну. Поглощение квантов света непосредственно электронами проводимости возможно только при их одновременных столкновениях с фононами, примесями, друг с другом, поверхностью металла, границами зерен и кристаллитов. Столкновения и формирование из рассеянного света отраженной волны происходит в тонком приповерхностном слое (много меньше 1 мкм), в котором затухает проникающее в металл излучение.

Распространение электромагнитных волн в однородной изотропной среде, обладающей проводимостью, можно исследовать с помощью уравнений Максвелла [33]. При этом необходимо учесть, что внутри однородного проводника электрическое поле отсутствует. Для электрически нейтральных сред ( ¿\\Ё — 0 ) уравнения Максвелла можно преобразовать к виду:

Здесь Е - напряженность электрического поля, Н - напряженность магнитного поля, ? - время, ^ -относительная магнитная проницаемость среды, о - проводимость среды, е - диэлектрическая проницаемость среды.

Решение этих уравнений для плоской электромагнитной волны, распространяющихся в положительном направлении оси х, запишем в виде

Здесь х - координата, к - волновое число, ю - частота.

Здесь учтено, что для проводящей среды волновое число следует заменить комплексным волновым числом:

Из решения уравнений для плоской электромагнитной волны следует, что по мере проникновения вглубь проводника амплитуды векторов убывают по экспоненциальному закону. Поэтому основная часть электрического поля сосредоточена у поверхности проводника, толщина которого невелика (например, для меди глубина проникновения составляет 2 нм). Таким образом, говорить о распространении света в проводнике не имеет смысла.

Коэффициент отражения Я электромагнитных волн поверхностью вещества и коэффициент пропускания Т можно определить как отношение плотностей потока отраженной и проходящих волн. При учете поглощения энергии в приповерхностном слое можно получить уравнение

Т + Я + А = 1, где А - поглощательная способность вещества.

Любое известное соотношение оптики диэлектриков может быть формально перенесено в оптику металлов либо других поглощающих сред простой

заменой вещественных величин показателя преломления п и волнового вектора к на комплексные аналоги п и к соответственно.

Отраженные и поглощенные электромагнитные волны возникают вследствие процессов, протекающих не на границе раздела, а внутри металла. При этом для непрозрачных твердых тел доля падающего монохроматического излучения, поглощенного телом, определяется его поглощательной способностью, тогда для случая нормального падения луча:

Таким образом, А можно вычислить по данным измерений оптических постоянных или комплексного показателя преломления.

Вследствие того, что излучение поглощается тонким приповерхностным слоем материала, для описания взаимодействия лазерного излучения с металлами можно использовать так называемую "тепловую модель". Согласно этой модели, можно рассматривать независимо друг от друга четыре стадии воздействия: поглощение света и переход поглощенной энергии в теплоту; нагрев материалов без разрушения; разрушение и разлёт продуктов разрушения; остывание. Тепловая модель позволила успешно описать распространение теплоты, плавление, модификацию структуры вещества.

1.2.2. Плавление и испарение металлов

Обратимся к стадии плавления и испарения металлов. Нельзя разделять эти процессы, так как упругость насыщенного пара очень быстро растет при незначительном увеличении температуры над температурой плавления. Рассматривая взаимосвязанный процесс плавление - испарение металлов, мы, в соответствии с моделью последовательных стадий, не будем рассматривать процесс ионизации паров, т. е. процесс образования плазмы.

Если стадия нагревания без изменения фазового состояния может быть четко выделена, в особенности при температурах, значительно меньших температуры плавления, то выделить стадию плавления значительно труднее. Дело

в том, что в интервале изменения температуры от температуры плавления до температуры кипения очень быстро растет давление равновесного пара. Температура кипения - это та температура, при которой давление равновесного пара равно давлению окружающего газа. Таким образом, если плавление является пороговым процессом, для реализации которого необходима температура, большая температуры плавления, то испарение не является пороговым процессом, равновесное давление паров плавно и очень быстро увеличивается при повышении температуры. Поэтому если нужно выделить стадию плавления и имеется возможность пренебречь испарением, то надо нагревать металл до температур, лежащих в очень узком диапазоне над температурой плавления.

Для того чтобы количественно определить параметры лазерного излучения, необходимые для осуществления процесса плавления металлов, надо учитывать соотношения и различные данные, характеризующие процесс плавления. Первое, что необходимо рассмотреть, - это изменения тепловых свойств металлов в твердой и жидкой фазах. Удельная теплоемкость остается практически неизменной, а теплопроводность уменьшается примерно в 2 раза при плавлении металла. Следовательно, оценки по порядку величины могут быть сделаны без учета этих изменений и с использованием данных для твердой фазы. Второе, что необходимо принять во внимание, - это энтальпия плавления металлов. Она изменяется на порядок величины при переходе от легкоплавких металлов к тугоплавким металлам. Для того чтобы ощутить роль энтальпии плавления (скрытой теплоты плавления), ее надо сопоставить с тем количеством теплоты, которое необходимо для нагревания металла до температуры плавления. Молярная теплоемкость для всех металлов примерно одинакова. Поэтому основную роль играет температура плавления, которая различается очень сильно примерно от 300°С для легкоплавких металлов до 3000°С для тугоплавких. Соответственно количество теплоты, необходимое для нагревания металла от комнатной температуры до температуры плавления, также очень сильно различается. Сопоставление этих величин показывает, что роль энтальпии плавления тем больше, чем ниже температура плавления металла.

Наконец, третий фактор, который надо принимать во внимание в наиболее распространенном случае плавления металлов лазерным излучением в воздухе, -это процесс окисления поверхностного слоя и изменение коэффициента отражения излучения, обусловленное окислением.

Строгое описание процесса плавления достаточно сложно, так как оно должно учитывать все упомянутые выше факторы в динамике, с учетом распределения лазерного излучения во времени и продвижения границы между твердой и жидкой фазами вглубь металла при его нагревании. Плавление металлов лазерным излучением имеет большое значение для практики и современной технологии металлообработки [34-37]. Однако в условиях практической реализации плавления одновременно реализуется и сильное испарение вещества [38].

Из данных, приведенных выше, следует, что уже при незначительном превышении температуры металла над температурой плавления испарение может быть пренебрежимо мало, а при достижении температуры кипения давление паров равно давлению окружающего газа. Облако пара, возникающее на пути излучения перед нагреваемой поверхностью, качественно изменяет процесс взаимодействия лазерного излучения с металлом. Во-первых, пары могут эффективно поглощать излучение, экранируя нагреваемую поверхность от источника излучения. Во -вторых, пары могут быть ионизованы под действием излучения, так что поглощать излучение и экранировать металл будут уже не пары, а плазма. Также, в -третьих, в плазменном облаке может возникнуть оптический пробой.

Рассмотрим процесс испарения без учета влияния образующегося пара на пути распространения излучения от лазера к поверхности металла. При этом мы ограничимся умеренными интенсивностями излучения. При рассмотрении процесса испарения металлов необходимо с самого начала различать стационарный и нестационарный режимы, реализующиеся при использовании непрерывного и импульсного лазерного излучения. Рассмотрим сначала нестационарный процесс. Зададимся такой интенсивностью излучения I, при которой металл будет нагрет в поглощающем слое до температуры выше

температуры плавления. Характер процесса испарения зависит при этом от энергии Q и длительности излучения т. Пусть энергия Q постоянна. Если т велико, то теплота успевает распространиться за счет теплопроводности на большую глубину, температура не будет велика и соответственно невелико будет количество испарившегося металла. Если т мало, то температура поверхности металла будет велика, но толщина нагретого слоя мала, что опять означает малое количество испаренного металла. Отсюда очевидно, что эффект испарения будет максимален при некотором среднем значении т. Между тем, глубина испарения является важной характеристикой для многочисленных практических применений, так как, по сути дела, это глубина, с которой удаляется металл, т. е. глубина отверстия (лунки), которая может быть сделана в металле, или толщина листового металла, в котором может быть сделано сквозное отверстие.

Имеются две очевидные возможности увеличения глубины испарения: повышение интенсивности излучения и использование непрерывного излучения. Первая возможность ограничена быстрым испарением и экранировкой металла парами, а вторая - типом используемого лазера, так как достаточно высокую интенсивность I непрерывного излучения можно получить лишь для отдельных лазеров.

Еще 10-15 лет назад при использовании лазерного излучения для решения различных технологических задач традиционно использовались СО2 - лазеры с непрерывным инфракрасным излучением и специальные приспособления, позволяющие удалять пары металла и расплав по мере их образования [39]. В то время как твердотельные и оптоволоконные лазеры необходимо было использовать в режиме модуляции добротности для получения низких значений времени импульса т, так как мощность данных лазеров была невелика.

Однако в начале 2000-х годов началась массовая разработка мощных и сверхмощных волоконных лазеров. В результате мощность промышленных лазерных комплексов на базе волоконных излучателей достигла десятки и сотни киловатт в непрерывном режиме излучения. Лидером в производстве волоконных лазеров с того времени и до сегодняшних дней является фирма гро-рьо^шсб. Ее

сотрудникам удалось упростить выполнение большого количества реальных производственных задач за счет массового производства волоконных лазеров с различной мощностью и режимами излучения.

1.3. Фазовые превращения в металле при лазерном воздействии

В лазерной термообработке локализованное упрочнение достигается за счет фазовых превращений. Фазовые превращения, происходящие внутри металла, изменяют свойства поверхности (износостойкость, усталость, устойчивость к эрозии, коррозии) [40] и происходят в результате нагрева и цикла охлаждения.

Процессы, происходящие в металле при глубокой лазерной гравировке по мере заглубления излучения в металл (следовательно, и расфокусировке луча) сводятся к механизму лазерного упрочнения [41]. Как показано на рисунке 1.4, лазерный луч движется по поверхности заготовки, быстро нагревая облучаемую область выше температуры плавления.

Рисунок 1.4 - Воздействие лазера на плоский образец

Однако, не вся энергия расходуется на удаление металла, часть энергии поглощается, что приводит к фазовой трансформации феррита в аустенит. Смежный материал действует как теплоотвод, который быстро охлаждает поверхность за счет теплопроводности. Такой эффект самозакалки приводит к превращению аустенита в мартенсит [42]. Этот процесс, как правило, приводит к появлению жестких границ на поверхности заготовки при сохранении

механических свойств (например, прочности и пластичности) объема необработанного материала. Рисунок 1.5 иллюстрирует фазовое превращение и диаграмму превращения на примере стали с содержанием углерода 0,35%, закаленной с помощью лазера.

Рисунок 1.5 - Принцип вынужденной фазовой трансформации под действием лазерного излучения

1.3.1. Механизм трансформации при упрочнении

Появление мартенситной структуры происходит при превращении кристаллической структуры железа в зависимости от температуры и перераспределения содержания углерода в диаграмме состояния железо-углерод. Так как мартенсит образуется путем быстрого охлаждения аустенита, температура аустенизации должна быть достигнута в фазе нагрева. Так как термический цикл в случае с лазерным поверхностным упрочнением намного короче, чем у объемной закалки, то нагрев до температуры аустенизации происходит в течение секунд или даже долей секунды. Таким образом, зона нагрева должна иметь температуру выше температуры аустенизации в течение достаточно длительного периода, чтобы позволить углероду диффундировать и гомогенизироваться аустениту.

Основ матер!

Ре 0 35

%с

1.3.2. Механизм формирования аустенита

Аустенит формируется из перлит-ферритной (доэвтектоидная сталь) или перлит-цементитной (заэвтектоидная сталь) структуры. В фазе нагрева объёмно -центрированная кубическая решетка а-железа переходит в гранецентрированную кубическую решетку у-железа. При равновесной трансформации аустенит начинает образовываться при температуре Ас1 (727°С) в углеродистой стали и завершает образование на линии Асз (Аст). Это показано на рисунке 1.6.

Жидкость +

.Аустенит

Аустенит

T, °C 2200

го« гооо

1800 •

"¡Тверд*

соо

[ыи раствор углерода в гамма-железе 1

! I

Mor«t< WH* F)j •

Д. | Л,

Лз :

0.025 Перлит ¡Перлит+Цементит

а f

^Феррит 1 -.а_____

0.006%

0.50

I

х

0.в1% 1%

^оэвтектоидНая[~Заэвтектоидная—

Сталь -

г

1

С, %

Рисунок 1.6 - Диаграмма железо-углерод Поскольку при лазерной закалке скорость нагрева достаточно высока, кривая может сильно смещаться от равновесного состояния, и линия Асз будет двигаться вверх в область более высоких температур. Таким образом, для достижения достаточной гомогенизации аустенита выше температуры Асз (Аст) технологические параметры, как правило, устанавливаются на получение пиковых

температур. Короткий термический цикл может привести к недостаточной диффузии углерода, а степень гомогенизации углерода в основн ом материале имеет значительное влияние на распределение углерода в образованном мартенсите и полученной твердости [9].

1.3.3. Механизм формирования мартенсита

Формирование мартенсита представляет собой превращение у -железа в а-железо, в котором у-решетка перестраивается в а-решетку. Полное мартенситное превращение происходит при относительно высокой скорости охлаждения (обычно десятки, сотни градусов Цельсия в секунду и выше). В этом случае атомы углерода, находящиеся в у-аустените не имеют достаточного времени для осаждения и остаются в трансформирующейся решетке.

Таким образом, мартенсит является перенасыщенным раствором углерода в а-железе. Захваченные атомы углерода в решетке приводят к небольшому сдвигу атомов железа, вследствие чего образуется тетрагональная объёмно-центрированная решетка (рисунок 1.7).

атом

• С атом

• "

Рисунок 1.7 - Объёмно-центрированная тетрагональная решетка мартенсита

Эта решетка выглядит как вертикально вытянутая объёмно-центрированная кубическая кристаллическая решетка, которая деформирована в направлении одной из осей сильнее, чем в двух других, что и определяет высокие внутренние напряжения, делая мартенсит твердым, но хрупким.

На стадии охлаждения, превращение аустенита в мартенсит начинается с температуры Мь и заканчивается при температуре Ы/. Мартенсит формируется в определенном температурном диапазоне, который зависит от содержания углерода в стали, как показано на рисунке 1.8. Температура Ыь незначительно зависит от скорости охлаждения. Повышенное содержание углерода снижает температуру Ыь и Ы/ и, следовательно, снижает требуемую критическую скорость охлаждения. Критическая скорость охлаждения - минимальная скорость охлаждения стали, при которой не происходит распада аустенита с образованием перлита = 727°С). Кроме того, такие легирующие элементы как марганец и никель значительно понижают температуру Ыя. Также добавление легирующих элементов обычно приводит к уменьшению критической скорости охлаждения. При лазерной закалке скорость охлаждения за счет теплопроводности в подложку достаточно высока для мартенситного превращения даже в низкоуглеродистой стали.

Рисунок 1.8 - Температуры начала и конца образования мартенсита

При охлаждении со скоростью Укр кривая охлаждения касательна к линии начала распада аустенита (рисунок 1.9). При скорости У1<Укр - низкая скорость охлаждения - идет процесс распада аустенита, закалки не происходит. При У2>Ущ>

- происходит закалка с образованием мартенсита. При Уз<Укр происходит неполная закалка, часть кристаллов аустенита распадается, часть - превращается в мартенсит [10].

1°,С 727°

Мз Мг

А+П

\ х\ V / / /V п

\ \\ 1 / А УД \

\ 4' \

т,с

Рисунок 1.9 - Диаграмма кривых охлаждения для эвтектоидной стали

1.3.4. Остаточный аустенит

Точка М/ лежит в области отрицательных температур, поэтому при закалке мы проходим не весь интервал мартенситного превращения, а останавливаемся где-то на его середине, так как охлаждение идет до комнатной температуры. Поэтому в стали кроме мартенсита находится достаточное количество остаточного аустенита, что ведет к уменьшению твердости стали. Есть несколько факторов, которые могут привести к этому, такие как локальная концентрация углерода в связи с неоднородностью материала и присутствие аустенит-стабилизирующих элементов.

По мере увеличения концентрации углерода обе температуры Мь и М/ снижаются (М может быть даже ниже, чем комнатная температура). Когда при охлаждении достигается комнатная температура, несмотря на то что большинство аустенита преобразуется в мартенсит, некоторое количество аустенита может по -прежнему оставаться в структуре. Некоторые замещающие легирующие элементы, такие как марганец и никель, значительно уменьшают температуру Мь и М/, что ведет к увеличению количества остаточного аустенита. На практике остаточный

аустенит может быть преобразован в мартенсит путем охлаждения стали до температуры ниже минус 70 °С, либо при отпуске.

1.4. Лазерное воздействие наносекундной длительности

Энергия лазера, поглощаемая материалом при взаимодействии лазера с материалом, преобразуется в теплоту.

Преобразование световой энергии в теплоту и последующее ее распространение в материал дает распределение температуры в материале. В зависимости от величины повышения температуры в материале могут проявляться различные физические эффекты, включая нагревание, плавление и испарение материала (рисунок 1.10), может образовываться плазма.

В результате теоретических и экспериментальных исследований сложилось общее представление о результате воздействия лазерного излучения с определенной интенсивностью и временем взаимодействия (рисунок 1.11): импульсная лазерная абляция / осаждение, PLA / PLD; лазерный отжиг, LA; лазерная очистка, LC; лазерное разделение изотопов, LIS; многофотонное поглощение / ионизация, MPA / MPI; лазерные волны детонации / горения, LSDW / LSCW; индуцированное лазером химическое осаждение из газовой фазы, LCVD; электрохимическое покрытие / травление лазером, LEC; длинный импульс или CW CO2-индуцированное лазером восстановление / окисление, RED/OX.

Металлические материалы, вероятно, являются наиболее широко используемыми материалами для деталей машин. Многие производственные процессы могут быть эффективно реализованы с помощью использования лазеров. Однако применение лазеров в производстве металлических материалов требует тщательного подбора режимов воздействия лазерного излучения.

Одними из самых распространенных лазеров в промышленности являются волоконные лазеры. Лазерные комплексы, оснащенные излучателями на основе волокна, обладают рядом преимуществ [43]:

- высокое качество излучения и его стабильность,

- низкая стоимость обслуживания и эксплуатации оборудования,

- компактность лазера,

- отсутствие локальных энергетически высоконагруженных мест, следовательно, некритичность к качеству охлаждения,

- передача излучения по оптическому тракту.

(е) Ablation

а - нагрев, b - поверхностное плавление, c - поверхностное испарение, d - образование плазмы, e - абляция Рисунок 1.10 - Различные эффекты взаимодействия лазера с материалом [33]

Рисунок 1.11 - Результат взаимодействия лазерного излучения с веществом и

применение [44]

Модельный ряд волоконных лазеров в настоящее время представляет собой излучатели непрерывные, применяемые в основном для лазерной сварки, наплавки, легирования, а также импульсные излучатели (как правило, с наносекундной длительностью импульсов), широко распространенные для резки, гравировки и маркировки. В частности, для осуществления гравировки и маркировки необходимы короткие импульсы с большой пиковой мощностью, излучающие с заданной частотой [45].

На сегодняшний день маркировка и гравировка являются одними из наиболее востребованных процессов обработки материалов [46]. Вместе с этим появились недорогие способы лазерной гравировки и маркировки с помощью волоконных лазеров, которые прекрасно справляются с поставленными задачами. Маркировка - процесс нанесения информации на изделие с целью его идентификации. Гравировка - процесс изменения поверхностного рельефа материала. Такие лазерные комплексы излучают импульсы с плотностью мощности ~ 107... 109 Вт/см2 длительностью ~ 10-7... 10-9 с [47, 48].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ноздрина Ольга Владимировна, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Смирнов, В. Н. Новая «лазерная» революция / В. Н. Смирнов, А. И. Скрипченко, Л. А. Штернин // Мир металлов. - 2005. - №6. - С. 48-49.

2. Лобанкова, О. В. Остаточное тепловое воздействие на металл при глубокой лазерной гравировке : Магистерская диссертация / О. В. Лобанкова - Томск, 2014. - 82 с.

3. Рыкалин, Н. Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник / Н. Н. Рыкалин, А. А. Углов, И. В. Зуев, А. Н. Кокора. -М. : Машиностроение, 1985. - 496 с.

4. Либенсон, М. Н. Лазерно-индуцированные оптические и термические процессы в конденсированных средах и их взаимное влияние / М. Н. Либенсон. - СПб. : Наука, 2007. - 407 с.

5. Миркин, Л. И. Физические основы обработки материалов лучами лазера / Л. И. Миркин. - М. : Изд-во Московского университета, 1975. - 383 с.

6. Арутюнян, Р. В. Воздействие лазерного излучения на материалы / Р. В. Арутюнян, В. Ю. Баранов, Л. А. Большов и др. - М. : Наука, 1989. - 367 с.

7. Анисимов, С. И. Действие излучения большой мощности на металлы / С. И. Анисимов, Я. А. Имас, Г.С. Романов, Ю.В. Ходыко. - М. : Наука, 1970. -272 с.

8. Ковалев О. Б. Физические основы лазерной резки толстых листовых материалов / О. Б. Ковалев, В. М. Фомин. - М. : Физматлит, 2013. - 256 с.

9. Вакс, Е. Д. Практика прецизионной лазерной обработки / Е. Д. Вакс, М. Н. Миленький, Л. Г. Сапрыкин. - М. : Техносфера, 2013. - 696 с.

10. Вакс, Е. Д. Резание металлов излучением мощных волоконных лазеров / Е. Д. Вакс, И. Ф. Лебёдкин, М. Н. Миленький и др. - 2-е изд. -М. : Техносфера, 2019. - 344 с.

11. Черепанов, А. Н. Влияние наноструктурированных порошковых композиций на характеристики поверхностного слоя стали при лазерной обработке / А. Н. Черепанов, В. Н. Дроздов, А. Г. Маликов, А. М. Оришич, Д. О.Муль, Л. И. Шевцова. // Тяжелое машиностроение. - 2016. - № 6. - С. 2- 4.

12. Гюнтер, С. В. Особенности лазерной сварки тонкой проволоки из сплава на основе никелида титана / Гюнтер С. В., Сапрыкин А. А., Ибрагимов Е. А., Клопотов А. А., Потекаев А. И., Марченко Е. С., Ясенчук Ю. Ф. // Лазерные, плазменные исследования и технологии ЛАПЛАЗ -2019: Сб. тр. : Изд-во НИ ЯФ МИФИ. - 2019. - С. 308-310.

13. Веденов, А. А. Физические процессы при лазерной обработке материалов / А. А. Веденов, Г. Г. Гладуш. - М. : Энергоатомиздат, 1985. - 208 с.

14. Babu, P. D. Experimental studies on the microstructure and hardness of laser transformation hardening of low alloy steel / P. D. Babu, G. Buvanashekaran, K. R. Balasubramanian // Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering. - 2012. - № 3. - Р. 241-257.

15. Buvanashekaran, G. Laser surface transformation hardening on medium carbon steel using high power laser beam / G. Buvanashekaran // 64th Annual Assembly and Int. Conf. of the Int. Institute of Welding : Conf. Ser. - 2011. - Р. 17-22.

16. Вейко, В. П. Введение в лазерные технологии / В. П. Вейко, А. А. Петров, А. А. Самохвалов. - СПб. : Университет ИТМО, 2018. - 161 с.

17. Ready J. F. LIA Handbook of Laser Materials Processing / J. F. Ready, F. Dave // Orlande, USA: Laser Institute of America. - 2001. - 740 p.

18. Casalino, G. Experimental investigation and statistical optimisation of the selective laser melting process of a maraging steel / G. Casalino, S. L. Campanelli, N. Contuzzi et al. // Opt. Laser Technol. - 2015. - Vol. 65. -P. 151-158.

19. Григорьянц, А. Г. Технологические процессы лазерной обработки /

A. Г. Григорьянц И. Н. Шиганов, А. И. Мисюров. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. - 665 с.

20. Лосев, В. Ф. Физические основы лазерной обработки материалов /

B. Ф. Лосев, Е. Ю. Морозова, В. П. Ципилев. - Томск : Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2011. - 199 с.

21. Feng Qiu. Surface transformation hardening of carbon steel with high power fiber laser : Thesis for the degree of Doctor of Science / Qiu Feng - Lappeenranta, 2013. -118 р.

22. Углов, А. А. Моделирование теплофизических процессов импульсного лазерного воздействия на металлы / А. А. Углов. СПб. : Наука, 1991. - 286 с.

23. Dahotre, N. Laser Surface Hardening. Steel Heat Treating Fundamentals and Processes: ASM Handbook / Narendra B. Dahotre - Ohio: American Society for Materials (ASM) International, 2013. - Р. 26.

24. Karnakis, D. High quality laser milling of ceramics, dielectrics and metals using nanosecond and picosecond lasers / D. Karnakis, G. Rutterford, M. Knowles et al. // Photon Processing in Microelectronics and Photonics. - 2006. - P. 1-11.

25. Dowden, J. The Theory of Laser Materials Processing : Heat and Mass Transfer in Modern Technology / J. Dowden. - Springer, 2009. - 390 р.

26. Леонтьев, П. А. Лазерная поверхностная обработка металлов и сплавов / П. А. Леонтьев, Н. Т. Чеканова, М. Г. Хан. - М. : Металлургия, 1986. - 142 с.

27. Григорьянц, А. Г. Основы лазерной обработки материалов /

A. Г. Григорьянц. - М. : Машиностроение, 1989. - 300 с.

28. Андрияхин, В. М. Процессы лазерной сварки и термообработки /

B. М. Андрияхин. - М. : Наука, 1988. - 170 с.

29. Vilkaste, А. Laser technologies - master's program between two european universities of applied sciences from Latvia and Germany / A. Vilkaste, L. Lazov, H. Deneva et al. // Society. Integration. Education : Proceedings of Int. Scientific Conf. - 2017. - Vol. 1 - P. 434-441.

30. Lim, G. C. Laser Micro-Fabrications: Present to Future Applications / G. C. Lim, Tuan Anh Mat // II Int. Symposium on Laser Precision Microfabrication. - 2002. -Vol. 4426 - P. 170-176.

31. Tuan-Anh Mai, Fabrication of Micropumps with Q-switched Nd: YAG-Lasers / Tuan-Anh Mai, Nam-Trung Nguyen // II Int. Symposium on Laser Precision Microfabrication. - 2002. - Vol. 4426 - P. 195-202.

32. Харанжевский, Е. В. Физика лазеров, лазерные технологии и методы математического моделирования лазерного воздействия на вещество : учеб. пособие / Е. В. Харанжевский, М. Д. Кривилёв. - Ижевск: Изд-во Удмурт. гос. ун -та. - 2011. - 187 с.

33. Вейко, В. П. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. Силовая оптика / В. П. Вейко, М. Н. Либенсон, Г. Г. Червяков, Е. Б. Яковлев - М. : Физматлит, 2008. - 312 с.

34. Лобанкова, О. В. Исследование влияния лазерных очагов закалки на формирование полосы Чернова-Людерса в образцах стали У12 / О. В. Лобанкова, И. Ю. Зыков, А. Г. Мельников // Современные металлические материалы и технологии: Сб. науч. тр. : Изд-во Политехн. унта. - 2017. - С. 94-100.

35. Lobankova, O. V. Investigation of laser heated spots on the surface of carbon steel / O. V. Lobankova, I. Y. Zykov, A. G. Melnikov // Energy Fluxes and Radiation Effects 2016 : Book of Abstract. - 2016. - 404 p.

36. Лобанкова, О. В. Исследование влияние лазерных очагов закалки на формирование полосы Чернова-Людерса в образцах стали У12 / О. В. Лобанкова, И. С. Макогон, С. А. Боёк // Междунар. конф. Высокие технологии в современной науке и технике: Сб. тр. - 2016. - С. 134, 135.

37. Lobankova, O. V. Structure and properties of subjected to rapid quenching surface tool steels / O. V. Lobankova, I. Y. Zykov, A. G. Melnikov, I. S. Makagon // 2015 Int. Conf. on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems : Proceedings. - 2015. - Р. 1-4.

38. Ready, J. F. Effect of High Power Laser Radiation / J. F. Ready - New York-London, Academic Press. - 1971. - 468 р.

39. Caristan, C. L. Laser Cutting Guide for Manufacturing / C. L. Caristan // Michigan : Society of Manufacturing Engineers. - 2004. - 453 p.

40. Кузьменко, А. П. Механизмы микроструктурирования при лазерной обработке / Н. А Кузьменко, С. Н. Химухин, А. П. Кузьменко // Вестн. ТОГУ. - 2007. - № 4 (7). - С. 123-134.

41. Смирнова, Н. А. Особенности образования структуры при лазерной обработке / Н. А. Смирнова, А. И. Масюров // Вестн. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение. - 2012. - С. 115-129.

42. Майоров, В. С. Лазерное упрочнение металлов / В. С. Майоров // Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / под ред. В. Я. Панченко - М. : Физматлит, 2009. - С. 439-469.

43. Ortiz-Morales, M. Infrared nanosecond pulsed laser irradiation of stainless steel: Micro iron-oxide zones generation / M. Ortiz-Morales, C. Frausto-Reyes, J. J. Soto-Bernal et al. // Spectrochim. Acta Part A : Mol. Biomol. Spectrosc. - 2014. - Vol. 128 - P. 681-685.

44. Nikolidakis, E. Experimental Investigation of Stainless Steel SAE304 Laser Engraving Cutting Conditions / E. Nikolidakis, I. Choreftakis, A. Antoniadis // Machines. - 2018. - Vol. 6. - P. 1-8.

45. Le Harzic, R. Comparison of heat-affected zones due to nanosecond and femtosecond laser pulses using transmission electronic microscopy / R. Le Harzic, N. Huot, E. Audouard et al. // Appl. Phys. Lett. - 2002. - Vol. 21. - P. 3886-3888.

46. Dahotre, B. N. Surface Engineering in Materials Science III / A. Agarwal, N. B. Dahotre, S. Seal, J. J. Moore, C. Blue. // Michigan : Wiley. - 2003. - 358 p.

47. Nikolidakis E. FEM modeling simulation of laser engraving / E. Nikolidakis, A. Antoniadis // Int. J. Advanced Manufacturing Technology. - 2019. - Vol. 105-Р. 3489-3498.

48. Mladenovic, V. Investigation of the las er engraving of AISI 304 stainless steel using a response-surface methodology / V. Mladenovic, P. Panjan, S. Paskvale, H. Qali§kan, N. Poljansek, M. Cekada // Technical gazette. - 2019. - Vol. 23. - No. 1. - Р. 265-271.

49. Campanelli, S. L. Multi-objective optimization of laser milling of 5754 aluminum alloy / S. L. Campanelli, G. Casalino, N. Contuzzi // Opt. Laser Technol. - 2013. -Vol. 52. - P. 48-56.

50. Soveja, A. Modelling of laser beam texturing process: experimental and numerical approaches: Thesis for the degree of Doctor of Science / A. Soveja - Bourgogne, 2007. - 236 p.

51. Cicala, E. The application of the random balance method in laser machining of metals / E. Cicala, A. Soveja,P. Sallamand, [et al.] // J. Mater. Proc. Technol. - 2008. - Vol. 196. - P. 393-401.

52. Soveja, A. Optimization of TA6V alloy surface laser texturing using an experimental design approach / A. Soveja, E. Cicala, D. Grevey, J. M. Jouvard // Optics and Laser in Engineering. - 2008. - Vol. 46. - No. 9 - 671 p.

53. Lavisse, L. Pulsed laser growth and characterization of thin films on titanium substrates / L. Lavisse, J.M. Jouvard, L. Imhoff, O. Heintz, J. Korntheuer, C. Langlade, S. Bourgeois, M.C de Lucas // Appl. Surf. Sci. - 2007. - № 253. No. 19. - P. 8226-8230.

54. Pino, P. Coloring of Titanium by Pulsed Laser Processing in Air / A. Perez del Pino, P. Serra, J. L. Morenza. // Thin Solid Films - 2002. - No. 415. - P. 201-205.

55. Genna, S. Study of fiber laser machining of C45 steel: influence of process parameters on material removal rate and roughness / S. Genna, C. Leone, V. Lopresto, L. Santo // Int. J. Mater. Form. - 2010. - Vol. 3. - No. 1- P. 1115-1118.

56. Qi, J. A study on the laser marking process of stainless steel / J. Qi, K. Wang, Y. Zhu // J. Mater. Process. Technol.- 2003. - Vol. 139. - No. 1-3. - P. 273-276.

57. Bartolo, P. Laser micromachining for mould manufacturing / P. Bartolo, J. Vasco, B. Silva, C. Galo // Assembly Automation. - 2006. - Vol. 26. - No. 3. - P. 227-234.

58. Durna, A. The modification of a 3D printer for laser engraving / A. Durna, T. Kubin, J. Blata, P. Nenicka // 19th Int. Multidisciplinary Scientific GeoConf. : Proceedings. - 2019. - No. 6.2. - P 295-302.

59. Teixidor, D. Optimization of process parameters for pulsed laser milling of microchannels on AISI H13 tool steel / D. Teixidora, I. Ferrer, J. Ciurana, T. Ozel // Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. - 2013. - Vol. 29. - No. 1 - P. 209-218.

60. Teixidor, D. Experimental analysis of the laser milling process parameters / D. Teixidor, I. Ferrer, J. Ciurana. // Materials Science Forum. - 2012. - Vol. 713. - Р. 67-72.

61. Kochergin, S. A. Surface manufacturing under pulse fiber laser / S. A. Kochergin, Yu. A. Morgunov, B. P. Saushkin // Proceedings of CIRP. - 2016. - Vol. 42. - Р. 470-474.

62. Sobotova, L. Laser marking as environment technology / L. Sobotova, M. Badida // Open Engineering. - 2017. - Vol. 7 - P. 303-316.

63. Leone, C. AISI 304 stainless steel marking by a Q-switched diode pumped Nd: YAG laser / C. Leone, S. Genna, G. Caprino, I. Iorio // J. Mater. Process. Technol.

- 2010. -Vol. 210. - No. 10. - Р. 1297-1303.

64. Leone, C. AISI 304 Stainless Steel Engraving by Q-Switched Nd:YAG Nanosecond Laser / C. Leone, R. E. Morace, , I. De Iorio // J. Chin. Soc. Mech. Eng.- 2007. - Vol. 28. - No. 2 - Р. 217-224.

65. Lazov, L. Laser Marking Methods / L. Lazov, H. Deneva, P. Narica // Environment. Technology. Resources : Proceedings of the 10th Int. Scientific and Practical Conference. - 2015. - Vol. 1 - P. 108-115.

66. Gnyusov, S. F. The Microstructural Evolution and Wear of Weld Deposited M2 Steel Coating After Laser Spot Melting / S. F. Gnyusov, I. A. Isakin, S. Y. Tarasov, S. E. Bukhanchenko // Metall. Mater. Trans. A : Physical Metallurgy and Materials Science. - 2019. - Vol. 50. - No. (9). - Р. 4307-4318.

67. Romolia, L. Laser milling of martensitic stainless steels using spiral trajectories / L. Romolia, F. Tantussib, F. Fuso // Opt. Lasers Eng. - 2017. - Vol. 91. - Р. 160168.

68. Majumdar, J. Laser material processing / J. Majumdar, I. Manna // Int. Mater. Rev.

- 2007. - No. 56. - Р. 341-388.

69. МиниМаркер 2 -20А4. Лазерный центр : сайт. URL : http://www.newlaser.ru/

70. Meijer, J. Laser beam machining (LBM), state of the art and new opportunities / J. Meijer // J. Mater. Process. Technol. - 2004. - No. 149. - Р. 2-17.

71. Ципилев, В. П. Экспериментальная установка для исследования физико-химических процессов в конденсированных средах при воздействии лазерного излучения / В. П. Ципилев, В. И. Олешко, А. Н. Яковлев, Н. А. Алексеев, О. В. Ноздрина, М. А. Мазур // Изв. вузов. Физика. - 2019. - Т. 62. - № 5. - С. 161-168.

72. Ноздрина, О. В. Обработка стали наносекундными лазерными импульсами / О.В. Ноздрина, А. Г. Мельников, И.Ю. Зыков, В.П. Ципилев // Металлургия: технологии, инновации, качество: Тр. XXI Международ. науч. -практ. конф. -2019. - Т. 2. - С. 235-240.

73. Chichkov, B. N. Femtosecond, picosecond and nanosecond laser ablation of solids / B.N. Chichkov, C. Momma, S. Nolte et al. // Appl. Phys. A. Mater. Sci. Process. -2015. - Vol. 63. - P. 109-115.

74. Александров, Е. И. Метод создания наносекундных импульсов сжатия в твердом теле / Е. И. Александров, А. В. Каракуцев, В. П. Ципилев; Томский политехн институт. - Томск, 1979. - 10 с. - Деп. в ВИНИТИ 08.01.1979, № 274-79.

75. Otto, A. Multiphysical simulation of laser material processing / A. Otto, H. Koch, R. G. Vazquez // Phys. Procedia. - 2012. - Vol. 39. - Р. 843-852.

76. Dahotre, Narendra B. Laser Fabrication and Machining of Materials / B. Narendra Dahotre, Sandip Harimkar. - Springer Science & Business Media, 2008. - 558 p.

77. Nozdrina, O. V. Characteristic of plasma flare stimulated by steel ablation with nanosecond laser / O. V. Nozdrina, I. Y. Zykov, V. I. Oleshko, V. P. Tsipilev // J. Phys. : Conf. Ser. - 2018. - Vol. 1115. - No. 5. - P. 1-6.

78. Орленко, Л. П. Физика взрыва и удара / Л. П. Орленко. - М. - Физматлит, 2019. - 400 с.

79. Кобылкин, И. Ф. Ударные и детонационные волны. Методы исследования / И. Ф. Кобылкин, В. В. Селиванов, В. С. Соловьев, Н. Н. Сысоев. -М. : Физматлит, 2004. - 375 с.

80. Лобанкова, О. В. Анализ термического воздействия лазерного излучения на стали / О. В. Лобанкова, И. Ю. Зыков, А. Г. Мельников // Изв. вузов. Физика.

- 2014. - Т. 57. - № 9-3. - С. 138-141.

81. Лобанкова, О. В. Оценка термического влияния лазерного воздействия на структуру стали 40Х / О. В. Лобанкова // Высокие технологии в современной науке и технике: Сб. тр. - 2013. - Т. 1. - С. 338-342.

82. Lobankova, O. V. Comparative impact analysis of laser radiation on steel grades 1045 and 5140 / O.V. Lobankova, I. Y. Zykov, A. G. Melnikov // ALP Conf. Proceedings. - 2014. - Vol. 1623. - No. 1. - Р. 351-354.

83. Lobankova, O. V. Research of steel structure after laser treatment / O. V. Lobankova, I. Y Zykov, A. G. Melnikov // Advanced Materials Research. -2014. - Vol. 1040. - Р. 809-812.

84. Лобанкова, О. В. Оценка термического влияния лазерного влияния на структуру стали 40Х / О. В. Лобанкова, И. Ю. Зыков, А. Г. Мельников. // Современные проблемы машиностроения : Сб. тр. - 2013. - С. 112-115.

85. Куликов, В. Ю. Влияние лазерного излучения на микроструктуру и микротвердость стали с разным содержанием углерода / В. Ю. Куликов, А. Г. Мельников, О. В. Лобанкова и др. // Тр. Ун -та КарГТУ. - 2015. - Т. 3. -№ 60. - С. 22-26.

86. Lobankova, O. V. Analysis of steel structures 5140 after laser treatment /

0. V. Lobankova, I. Y. Zykov, A. G. Melnikov // IOP Conf. Ser. : Mater. Sci. Eng.

- 2014. - Vol. 66. - No. 1. - [012020 p.].

87. Nozdrina, O. V. Investigation of the Effect of Small Hardening Spots Created on the Sample Surface by Laser Complex with Solid-State Laser / O. V. Nozdrina,

1. Y. Zykov, A. G. Melnikov et al. // IOP Conf. Ser. : Mater. Sci. Eng. - 2018. - Vol. 317. - P. 1-5.

88. Лобанкова, О. В. Влияние лазерной обработки на структуру и свойства стали / О. В. Лобанкова, И. Ю. Зыков, А. Г. Мельников // Современные металлические материалы и технологии: Сб. тр. междунар. научно-практической конф. - 2015. - С. 1676-1688.

89. Лобанкова, О. В. Исследование структуры стали 40Х после лазерного воздействия / О. В. Лобанкова // Современные техника и технологии: Сб. тр. -2014. - Т. 1. - С. 19, 20.

90. Лобанкова, О. В. Исследование влияния лазерного теплового воздействия на сталь 40Х / О. В. Лобанкова, Е. С Есипова // Современные техника и технологии: Сб. тр. - 2013. - Т. 2. - С. 92, 93.

91. Gazaliyev, A. M. Studying laser radiation effect on steel structure and properties / A. M. Gazaliyev, A. G. Melnikov, O. V. Lobankova, I. Y. Zykov, S. S. К von, T. S. Filippova // Metalurgija. - 2016. - Vol. 55. - No. 3. - Р. 411-413.

92. Lobankova, O. V. Influence of laser radiation on structure and properties of steel / O. V. Lobankova, I. Y. Zykov, A. G. Melnikov, S. B. Turanov // Proc. Int. Conf. on Advanced Materials, Structures and Mechanical Engineering. - 2016. - Р. 7578.

93. Валиулин, А. Лазерная маркировка материалов / А. Валиулин, С. Горный, Ю. Гречко и др. // Фотоника. - 2007. - № 3. - С. 16-22.

94. Rodriguez, R. D. High-power laser-patterning graphene oxide: A new approach to making arbitrarily-shaped self-aligned electrodes / R. D. Rodriguez, G. V. Murastov, A. Lipovka, M. I. Fatkullin, O. Nozdrina et al. // Carbon. - 2019. - Vol. 151. - Р. 148-155.

95. Issagulov, A. Z. Investigation the impact of a laser on the Сhernov-Luders lines in the 40X9C2 steel / A. Z. Issagulov, I. Y. Zykov, A. G. Melnikov, O. V. Lobankova, I. S. Makogon, S. A. Bojok, S. K. Arinova // Metalurgija. - 2018. - Vol. 57. - No. 12. - Р. 128-130.

96. Лобанкова, О. В. Оценка термического влияния лазерного влияния на структуру стали 40Х / О. В. Лобанкова, И. Ю. Зыков, А. Г. Мельников // Физ. материаловедение. - 2013. - С. 9-13.

97. Dusser, B. Laser deep marking of metals and polymers: potential interest for information coding / B. Dusser, Z. Sagan, D. Bruneel [et al.] // J. Phys.: Conf. Ser. - 2007. - Vol. 77. - No. 012002. - P. 1-6.

98. Brüning, S. Laser Engraving Of Ceramic Anilox Rollers / S. Brüning // Flexo & Gravüre Inernational. - 2007. - Vol. 3. - P. 88, 89.

99. Hamadi, H. Surface laser marking optimization using an experimental design approach / H. Hamadi, E.H. Amara, L. Lavisse et al. // Appl. Phys. A. - 2017. - Vol. 123. - No. 230. - P. 1-13

100. Heyl, P. Manufacturing of 3D structures for micro-tools using laser ablation / P. Heyl, T. Olschewski, R. W. Wijnaendts // Microelectron. Eng. - 2001. - Vol. 5758. - P. 775-780.

101. Sandeep Kumar Singh. Review on Laser Beam Machining Process Parameter Optimization / Sandeep Kumar Singh, Ajay Kumar Maurya // Int. J. Innovative Research in Science & Technology. - 2017. - Vol. 3 - P. 34-38.

102. Behera, R. Experimental investigations of nanosecond-pulsed Nd:YAG laser beam micromachining on 304 stainless steel / R. Behera, S. Ravi // J. Micromanufacturing. - 2018. - P. 306-319.

103. Sivenkov, A. V. Assessment of laser marking contrast with profilometer / A. V. Sivenkov, O. S. Chirkova, D. A. Konchus, E. I. Priahin // IOP Conf. Ser: Earth and Environmental Science. - 2018. - Vol. 194. - No. 042022. - P. 1-6.

104. Orimi, H. E. Experimental investigation of texturing complex geometry using high repetition nano laser and comparison with the simulated COMSOL model / H. E. Orimi, S. Jagadeesh, N. Sivakumar // Laser-based Micro- and Nanoprocessing : Proceedings. - 2018. - Vol. 10520. - P. 1-10.

105. Meijer, J. Laser Machining by short and ultrashort pulses, state of the art and new opportunities in the age of the photons / J. Meijer, K. Du, A. Gillner et. al. // CIRP Annals - Manufacturing Technology. - 2002. - Vol. 51. - No. 2. - P. 531-550.

106. Amara, E. Experimental Investigations on Fiber Laser Color Making of Steels / E. Amara, H. Fadhela, A. Noukaz // Applied Surface Science. - 2015. - Vol. 351. -P. 1-12.

107. Pragada, R. Micro machining of metals, ceramics, silicon and polymers using nanosecond lasers. / R. Pragada, M. V. Kumar, P. Gangaraju // Int. J. Emerging Technology and Advanced Engineering. - 2013. - No. 3. - P. 294-298.

ПРИЛОЖЕНИЕ

УТВЕРЖДАЮ

СПРАВКА

об использовании результатов диссертационной работы Нозлриной Олын Вла л и м и ров н ы в учебном происссс

Результаты диссертационной работы Ноздриной О.В. успешно используются ы образовательном процессе в Отделении материаловедения Инженерной школы новых производственных технологий Томского политехнического университета- В частности, способ закалки сталей с помощью лазерного комплекса с наносекундной длительностью импульсов рассматривается при проведении лабораторных работ по дисциплине «Научные основы модифицирования поверхности материалов», проведенные расчеты и измерения давлений используются на практических и лабораторных занятнях по дисциплинам «Лазерные технологические установки и комплексы», «Лазерные технологии и оборудование». В ходе проведения мастер-классов для абитуриентов демонстрируется способ обработки металлов с помощью используемого в диссертационном исследовании лазерного комплекса с исследованными параметрами воздействия.

Заведующий кафедрой -

руководитель отделения материаловедения на правах кафедры

УТВЕРЖДАЮ О «Квант» тшин Р.Г. 2019 г.

АКТ

внедрения практических результатов исследования г Ноздриной Ольги Владимировны.

полученных в рамках диссертационной работы «Формирование структуры и свойств поверхностного слоя конструкционных и инструментальных сталей при лазерной циклической обработке наносекундной длительности»

Лазерный комплекс Минимаркер 2-М20 (длина волны излучения 1064 нм, длительность импульсов 1..200 не) используется нами в производстве для гравировки металлических изделий. Данный комплекс позволяет получать рельефные изображения с большой глубиной (до 2 мм) путем послойного испарения материала.

По результатам исследования Ноздриной О.В. получены и успешно внедрены рекомендации по осуществлению глубокой гравировки. Также было предложено использовать лазерный комплекс для глубокой модификации областей материала в виде узких глубоких зон переплава, что позволяет нам значительно расширить сферу применения данного оборудования, предоставляя услуги по упрочнению металлических деталей. Ожидается, что использование данной технологии приведет к экономической выгоде.

НАУЧНО - ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ КОМПАНИЯ

■■ ПОЛИМЕР - КОМПАУНД "

России, ЗДСНО, г. Томск; ул. Вьгеоцкмч Блоцюжра, S THJittakfi: (Э822) WWJi, i3BZ2) W53 19

llHp:ift»iiVW,paiy-ociiflp,ru

E-muJJ: dslnigifiail.lomstiKtru

АКТ

испытания ножей с упрочненной лазером рабочей кромкой на линии гранулирования полиолефйНОй ТСЕ 95 узла подводной резки полиолефинов QT500 производства Китай.

В процессе подводной резки полимер продавливается через калиброванные отверстия ф3.2 мм и срезается ножами, скользящими непосредственно по фильере в среде воды,

В результате резки на передней режущей кромке ножа образуется каверна эрозионного характера, которая ухудшает качество резки и вызывает образование полимерных волокон. Эти волокна забивают фильтры гидротранспорта, теплообменники, вызывают остановку оборудования.

В диссертационном исследовании Ноэдрпной О.В, предлагается технология лазерной обработки деталей для поверхностного упрочнения деталей. В результате такой обработки на поверхности детали создается комплекс включении (узких глубоких зон переплава), повышающий время их работы, Таким образом Ольгой Владимировной было произведено упрочнение передней режущей кромки ножей.

В итоге упрочненный нож показал высокую стойкость к образованию эрозионной каверне в передней режущей кромке, не влияя при этом на износ рабочей части фильеры.

Количество волокон в гидротранспорте сократилось в несколько раз.

Применение дайной методики позволило увеличить эксплуатационные свойства оборудования, сократить простои в ремонте и чистке.

Ожидаемый экономический эффеет^-'йт* .использования данной методики обработки оценивается от 150 тыс/що. в год,

Главный механик __—-¡41) H$f ^. И.А. Шихалев