Ударная обработка цветных металлов и сплавов маломощными лазерными источниками тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат наук Зо Йе Мьят

• Зо Йе Мьят
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Зо Йе Мьят

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ УДАРНОЙ ОБРАБОТКИ В ТЕХНОЛОГИЯХ ПОВЕРХНОСТНОЙ МОДИФИКАЦИИ СТАЛЕЙ, А ТАКЖЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1.1. Лазерная ударная обработка

1.2. Методы локальной пластической деформации

1.2.1. Дорнование

1.2.2. Дробеструйная обработка

1.2.3. Низкопластичное выглаживание

1.2.4. Лазерная термообработка

1.2.5. Сравнение традиционных технологий и лазерной ударной обработки

1.3. Параметры технологии лазерной ударной обработки

1.3.1 Технологические покрытия

1.3.2 Лазерные параметры, интенсивность лазерного излучения

1.3.3 Параметры мишени

1.4. Перспективы и ограничения применений лазерной ударной обработки

1.5. Выводы по главе

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В РАБОТЕ

2.1. Методы исследования

2.1.1 Определение эффективности преобразования лазерной энергии в энергию расширяющегося плазменного факела

2.1.2 Расчёт пластической деформации

2.1.3 Алгоритм проведения регрессионного анализа

2.2 Экспериментальные техники

Стр.

2.3 Материалы, использованные в работе

2.4. Оборудование, использованное в работе

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРЕДПОСЫЛОК ПЕРЕХОДА К ЛАЗЕРНОЙ УДАРНОЙ ОБРАБОТКЕ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ

ИСТОЧНИКАМИ

3.1 Интенсивность и многократное облучение

3.1.1 Описание формируемой лазерным импульсом ударной волны

3.1.2 Численное моделирование

3.2 Исследование закономерностей лазерной ударной обработки в условиях

устрой фокусировки

3.3 Влияние угла наклона

3.4 Выводы по главе

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЛАЗЕРНОЙ УДАРНОЙ ОБРАБОТКИ

4.1. Выбор технологических покрытий

4.2. Регрессионный анализ степени влияния параметров процесса ЛУО на

поверхностную микротвёрдость

4.3 Стратегии лазерной ударной обработки низкоэнергетическими источниками

4.4. Выводы по главе

ГЛАВА 5. ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ УДАРНОЙ

ОБРАБОТКИ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ИСТОЧНИКАМИ

5.1 Лазерная ударная обработка сварных швов

5.2. Микроструктурирование поверхности для уличения трибологических

свойств

5.3. Выводы по главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Ускоряющиеся темпы развития машиностроения требуют постоянной разработки эффективных технологий, способных повысить надёжность работы деталей и механизмов в различных условиях эксплуатации. Среди методов повышения износостойкости деталей машин большое распространение находят методы поверхностной обработки, призванные повысить эксплуатационные показатели за счёт изменения структуры и повышения твёрдости поверхностного слоя. Особое значение среди таких методов имеют методы холодной пластической деформации, приводящие к упрочнению, повышению усталостной прочности и износостойкости без теплового воздействия.

Большой интерес в последние годы находит технология лазерной ударной обработки (ЛУО), которая заключается в создании мощной и направленной ударной волны в процессе лазерной абляции специального поглощающего покрытия, наносимого на обрабатываемую поверхность. ЛУО используется для повышения усталостной прочности ответственных изделий в области авиастроения, в частности лопаток газотурбинных двигателей. Благодаря крайне высоким скоростям деформации в зоне воздействия удаётся создать высокую амплитуду и глубину остаточных сжимающих напряжений, что позволяет существенно повысить ресурс работы лопаток. При этом ЛУО - бесконтактный метод, что имеет первостепенное значение при обработке сложной геометрии и труднодоступных участков.

Одной из важнейших задач развития технологии ЛУО является повышение её коммерциализуемости и, соответственно, более широкое внедрение в промышленное производство. Для обработки лопаток газотурбинных двигателей и схожих применений необходимы импульсы наносекундной длительности и энергии до 50 Дж. Для этого требуется применение твердотельных лазеров с модуляцией добротности, построенных по схеме генератор - каскад усилителей.

Такие системы крайне дороги и громоздки, а предпосылок к их существенному прогрессу и удешевлению пока не наблюдается. Использование этих установок оправдано в случае крупносерийной обработки ответственных и дорогостоящих изделий, но существенно тормозит применении ЛУО в других областях техники, в частности локальной обработки для улучшения сварных швов, технологического текстурирования поверхности, торможения развития усталостных трещин и др.

Решением данной проблемы является переход к менее мощным системам, что происходит двумя путями: использование ультракоротких лазерных систем (пикосекундных и фемтосекундных), которые сегодня быстро развиваются, а также оптимизация технологии ЛУО и переход от мощных одиночных импульсов с энергий порядка от 10 до 50 Дж и диаметром пятна в несколько миллиметров к высокочастотной обработке сфокусированным пятном с энергией менее 1 Дж. Такой подход позволит значительно снизить стоимость применяемых лазерных источников и существенно расширить область промышленного использования технологии ЛУО.

Настоящая работа посвящена исследованию физических предпосылок и разработке методов осуществления процесса ЛУО при помощи низкоэнергетических лазерных установок с сохранением высоких технологических показателей. Это необходимо для использования ЛУО как способа локальной поверхностной холодной пластической деформации при обработке изделий, работающих в условиях механического или усталостного износа. Поэтому ЛУО низкоэнергетическими источниками следует признать актуальной и быстроразвивающейся технологией поверхностного упрочнения, имеющей важное научное и практическое значение.

Цель диссертационной работы:

Разработка актуального метода лазерной ударной обработки цветных металлов и сплавов маломощным лазерным источником и определение областей рационального его применения.

Основные задачи исследования:

1. Разработка энергетических и технологических условий перехода к низкоэнергетическим источникам при ЛУО путём математического моделирования этапов преобразования лазерной энергии в энергию механической ударной волны в условиях лазерной абляции в жидкой среде.

2. Определение параметров процесса лазерной ударной обработки низкоэнергетическими источниками, сочетание которых необходимо оптимизировать для получения результатов, сопоставимых с лазерной обработкой на традиционных режимах.

3. Исследование оптимальных технологических условий локальной лазерной ударной обработки низкоэнергетическими источниками.

4. Разработка стратегий получения заданных свойств поверхности лазерной ударной обработкой низкоэнергетическими источниками.

5. Выявление области применения локальной лазерной ударной обработки низкоэнергетическими источниками.

6. Разработка технологических рекомендаций по использованию локальной лазерной ударной обработки низкоэнергетическими источниками

Научная новизна

Научная новизна работы, выносимая на защиту, состоит в следующем:

1. Установлено, что снижение диаметра пятна при одинаковой интенсивности при ЛУО приводит к снижению эффекта пластической деформации. Установлено, что при использовании одиночных импульсов в процессе ЛУО применение диаметров меньше 500 мкм приводит к снижению эффекта пластической деформации при постоянной интенсивности излучения.

2. Меньшая эффективность лазерной ударной обработки при малых размерах пятен до 200 мкм может быть скомпенсирована обработкой с

коэффициентами перекрытия, обеспечивающими 4-кратное облучение единичной площади обрабатываемой поверхности.

3. На основании экспериментального и теоретического исследований процесса лазерной абляции в жидкости установлено, что изменение угла падения луча при ЛУО в жидкости, в отличие от обработки на воздухе, приводит к изменению эффекта пластической деформации не более, чем на 5 %, что может быть использовано при ЛУО сложной геометрии.

4. Применение лазерной ударной обработки для обработки зоны термического влияния сварного шва позволяет изменить знак напряжений с растягивающих на сжимающие с величиной до 4-х раз большей, чем до обработки.

Практическая значимость

1. Установлена область режимов ЛУО цветных металлов и сплавов, позволяющая использовать низкоэнергетические источники лазерного излучения и применять технологию для локальной поверхностной обработки.

2. Определены оптимальные технологические покрытия, обеспечивающие возможность проведения многоимпульсной ЛУО, выдерживающих до 4 повторных облучений без полного разрушения.

3. Разработаны регрессионные модели, связывающие основные характеристики ЛУО: глубину, микротвёрдость поверхности - с параметрами технологических режимов для оптимизации процесса обработки

4. Разработаны технологические рекомендации для ЛУО низкоэнергетическими источниками цветных металлов и сплавов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Установлена область режимов ЛУО цветных металлов и сплавов, позволяющая использовать низкоэнергетические источники лазерного излучения и применять технологию для локальной поверхностной обработки.

2. Определены оптимальные технологические покрытия, обеспечивающие возможность проведения многоимпульсной ЛУО, выдерживающих до 4 повторных облучений без полного разрушения.

3. Разработаны регрессионные модели, связывающие основные характеристики ЛУО: глубину, микротвёрдость поверхности - с параметрами технологических режимов для оптимизации процесса обработки.

4. Разработаны технологические рекомендации для ЛУО низкоэнергетическими источниками цветных металлов и сплавов.

Методы исследования

Поставленные задачи решались с использованием теоретических и экспериментальных методов исследования. Моделирование процесса ЛУО было основано на расчёте профилей остаточных напряжений по наиболее распространённой в литературе методике, включающей себя описание материала с помощью критерия пластичности Мизеса. Для прогнозирования динамических эффектов при пластическом деформировании использовалась модель Джонсона-Кука. Экспериментальные исследования производились с помощью лазерной установки «Solar LQ 829», работающей в режиме модуляции добротности с максимальной энергией в импульсе до 1 Дж. Планирование и проведение экспериментальных исследований осуществлялось с помощью стандартных методов однофакторных и многофакторных экспериментов. Критериями эффекта ЛУО использовались поверхностные микротвёдость и остаточные напряжения, а также геометрия получаемых вмятин. Полученные результаты ЛУО низкоэнергетическими источниками сравнивались с результатами ЛУО на традиционных режимах, полученными в результате литературного и экспериментального исследований.

Реализация результатов и предложения об использовании.

Материалы диссертационной работы и полученные результаты использованы учебном процессе кафедры МТ-12 «Лазерные технологии в

машиностроении» МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также в ООО «Московский центр лазерных технологий»

Полученные в диссертационной работе результаты рекомендуется использовать для внедрения низкоэнергетических источников в технологические процессы лазерной ударной обработки.

Апробация

1. Доклад автора на семинаре кафедры лазерных технологий в машиностроении МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2019).

2. Всероссийская научно-техническая конференция «Студенческая научная весна: Машиностроительные технологии» «МГТУ им. Н.Э. Баумана». (Москва, 2016).

3. Международная конференция «Электронно-лучевая сварка и смежные технологии», ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ». (Москва, 2017).

4. XXVIII Международная конференция «Лазеры в науке, технике, медицине» (г. Дубна, 2017).

Публикации

По результатам исследований опубликовано 5 научных работах в отечественных и зарубежных рецензируемых изданиях, в том числе 2 статьи в изданиях из перечня ВАК РФ и в 2 тезисах конференций.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ударная обработка цветных металлов и сплавов маломощными лазерными источниками»

Структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка литературы (144 наименования). Изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунков и 13 таблицы.

ГЛАВА 1. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ УДАРНОЙ ОБРАБОТКИ В ТЕХНОЛОГИЯХ ПОВЕРХНОСТНОЙ МОДИФИКАЦИИ СТАЛЕЙ, А ТАКЖЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1.1. Лазерная ударная обработка

Технология лазерной ударной обработки (ЛУО) или лазерного наклёпа впервые описана в конце 60-х, начале 70-х годов [1-3] и представляет собой холодный процесс, при котором интенсивное лазерное излучение падает на поверхность и служит причиной образования ударных волн. Первые исследования по упрочнению сталей и титановый сплавов проводились в США и Франции с 1968 по 1981 [4] гг., а также в СССР [6, 7]. Хотя первые патенты по ЛУО были зарегистрированы в 1973 и 1983 гг., существенное распространение технология получила в 90-е ввиду появления относительно доступных подходящих лазерных источников. Компанией «General Electric» зарегистрировано 23 патента между 1996 и 2001 гг [4].

ЛУО - универсальный процесс, который применяется для модификации различных материалов: для твёрдых [8] и мягких [9,10] сплавов, сплошных или пористых [11] материалов, а также тонких плёнок [12]. Этот процесс считается потенциальным конкурентом дробеструйной обработки (ДО), благодаря большей глубине остаточных напряжений под поверхностью, большей амплитудой и однородностью остаточных напряжений [13, 14]. Кроме того, качество поверхности после ЛУО заметно выше, чем после ДО, в случае которой для деталей, работающих в условиях износа, часто применяется последующее шлифование или полировка [15,17]. Ещё одним аналогом ЛУО является ультразвуковая ударная обработка (УУО), где ударные волны создаются после пластической деформации самого материала [17, 18]. УУО изобретён в СССР в 1970-х [18] и применялся для сварных соединений для снижения остаточных напряжений и увеличивая сопротивляемость усталости. Применение ЛУО

основано на эффектах увеличения усталостной прочности, коррозионной и износостойкости [19]. ЛУО выгодно использовать для обработки тонкостенных элементов [20], сложных геометрий [14] благодаря преимуществами переноса лазерного излучения, а также интегрирования в автоматизированные производственные линии [21].

ЛУО - это механический (холодный) процесс, в котором под действием лазерных импульсов генерируются ударные волны, распространяющиеся под поверхностью материала [4,22]. Эти волны создают сжимающие напряжения максимальные на поверхности и уменьшающиеся вглубь материала [22].

Для успешного осуществления технологии ЛУО необходимо выполнить следующие процедуры:

а) Мишень покрывается поглощающим (абляционным) покрытием. Этот слой испаряется, образуя плазменный факел, расширение которого создаёт волну давления, развивающуюся в течение всей длительности импульса. Поглощающий слой предотвращает плавление и абляцию мишени [4], за счёт чего достигается высокое качество поверхности [23]. Без этого слоя преобразование энергии из давления в ударные волны не может быть эффективно выполнено [4]. Этот слой может быть алюминием [24,25], медью [27], свинцом [2], виниловой пленкой [28], цинком [26] или черной краской [4,29]. В работе [30] показано, что черная краска является наиболее эффективным покрытием, где почти 100% лазерной энергии передается плазме. Для алюминия этот параметр составляет около 80 %.

б) Прозрачный (сдерживающий) слой используется для сдерживания развития Факела с поверхности, тем самым увеличивая интенсивность ударных волн. Этими слоями могут быть: вода [15,31], кварц [3,28], стекло [28], стекло К9 [33], хрусталь [28], плексиглас [28] или каучук [28]. Выбор сдерживающей среды зависит исключительно от материала подложки, плотности и скорости звука, которые могут создать так называемый «эффект акустического импеданса».

Пластическая деформация возникает, когда давление ударных волн превышает динамический предел упругости металла [4,24]. Процесс ЛУО схематично показан на Рисунке. 1.1. Пластическая деформация приводит к значительному увеличению и движению дислокаций, что оказывает влияние на микроструктуру и свойства материала [4].

Рисунок. 1.1.

Схема процесса лазерной ударной обработки

Эффективность процесса ЛУО зависит от материала мишени, параметров лазерного излучения, поглощающего и прозрачного покрытий. Типичные режимы облучения [4,14]:

Q-switch лазер на базе Ш:стекло или Nd:YAG, длины волн: 1054, 532, 355 нм,

- длительность импульсов варьируется от 10 до 100 нс,

- энергия в импульсе от 1 до 100 Дж,

- апертура пятна от 1 до 6 мм.

Геометрия пятна бывает: круг [2,31], эллипс [34,35], прямоугольник [35] и квадрат [17,34]. Причём квадрат является предпочтительной формой пятна благодаря лучшей равномерности по интенсивности остаточных напряжений и

способности к перекрытию обработанных точек [34]. Требуется частота менее 1 кГц и интенсивность от 1 до 10 ГВт/см2 [4]. Оптимизация процесса ЛУО сложна и по многим вопросам в литературе нет единого мнения.

Главными эффектами, вызванными ЛУО являются:

- создание и изменение остаточных напряжений (сжатия) [4,31],

- изменение шероховатости [5],

- изменение микроструктуры [19],

- повышение твёрдости поверхности [31],

- повышение модуля упругости и предела текучести [3,38],

- повышение сопротивления усталости [4,15],

- повышение сопротивления коррозии, фреттинг-коррозии, коррозионного растрескивания под напряжением [37,39],

- повышение износостойкости и др [40].

Вынужденные сжимающие остаточные напряжения - это главный результат технологии ЛУО, так же, как и традиционных ДО и УУО. Преимущества ЛУО перед ДО обсуждались разными авторами, что связано с положительными эффектами обеих технологий. Однако ЛН создаёт сжимающие напряжения на большей глубине и большие по величине. Результаты сравнения этих технологий для материала 1псопе1 718, полученные [41], показаны на Рисунке. 1.2.

Так же, как и для ДО, основное применение ЛУО - повышение усталостной долговечности [4,15]. Причина этого заключается в создании в зоне воздействия зоны интенсивных сжимающих напряжений. Большая глубина сжимающих остаточных напряжений при ЛУО [41,42], делает её более жизнеспособной технологией для улучшения усталостной долговечности по сравнению с ДО. Более того, другие факторы, такие как шероховатость поверхности [36], могут приводить к увеличению или уменьшению усталостной долговечности в зависимости от параметров ЛУО, например, количества ударов [24].

Рисунок.1.2.

Профиль остаточных напряжений на поверхности сплава 1псопе1 718 после лазерной ударной обработки и дробеструйной обработки [41]

Необходимо отметить, что несмотря на большое разнообразие перспективных применений ЛУО, наибольшее применение технология находит при обработке дорогостоящих ответственных изделий, таких как лопатки газотурбинных двигателей, где экономический эффект от преимуществ ЛУО перевешивает его высокую стоимость, по сравнению с конкурирующими методами пластической деформации.

1.2. Методы локальной пластической деформации

Остаточные напряжения - это напряжения, которые существуют в материале при отсутствии внешней нагрузки [43]. Результирующая сила и момент, вызванные остаточными напряжениями, всегда исчезают, что означает,

что растягивающие напряжения уравновешиваются сжимающими напряжениями в данном объеме материала.

В зависимости от размера области, на которой уравновешиваются остаточные напряжения, их можно выделить как макроскопические или микроскопические [44]. Остаточные напряжения в микроскопическом масштабе часто наблюдаются вблизи дислокаций и между зёрнами в металлах [43]. С другой стороны, макроскопические остаточные напряжения могут быть созданы в различных объёмах после таких известных методов воздействия, как ДО [45], ЛУО или термического (в т.ч. лазерного) воздействия. Также остаточные могут быть создаваться областях, близких к мартенситным структурам в сталях, из-за мартенситных превращений, которые приводят к изменению объёма [43].

Источниками пластической деформации могут быть:

- Заготовительные процессы: прокатка, литье, ковка и т.д. [46],

- Процессы обработки: сварка, дробеструйная обработка, лазерный нагрев [47, 48],

- Формообразующие процессы: резка, гибка, механическая обработка, шлифование, формование и формование металлических конструкций [43].

Остаточные напряжения делятся на две группы в соответствии с механизмами генерации: а) несоответствия в структуре, б) неравномерное распределение неупругих деформаций, включая пластические и термические деформации [47].

1.2.1. Дорнование

Простым примером создания сжимающих остаточных напряжений является технология дорнования. Отверстия в металлических конструкциях, например, заклёпочные, являются источниками концентраторов напряжений, которые могут привести к возникновению трещин и последующему их распространению. Дорнование стало наиболее распространенным методом подавления роста трещин в таких случаях. За последние 40 лет дорнование продемонстрировало значительное увеличение усталостного ресурса даже в структурах с

существующими небольшими трещинами [48,49]. Процесс дорнования с разрезным рукавом показан на Рисунке 1.3, а.

а

б

Рисунок. 1.3.

Схема процесса дорнования (а), остаточные напряжения после процесса

дорнования (б) [48]

1.2.2. Дробеструйная обработка

Дробеструйная обработка наибольшее применение находит в авиастроении, где усталостные характеристики изделий имеют большое значение [50]. Принцип заключается в том, что сферические частицы бомбардируют металлическую поверхность, вызывая тем самым пластическую деформацию в тонком слое. В результате, сжимающие остаточные напряжения создаются на глубине от 0,2 до 0,3 мм под поверхностью и компенсируются растягивающими напряжениями, располагающимися глубже в толще детали [51]. Процесс дробеструйной обработки и результирующие остаточные напряжения представлены на Рисунке 1.4. Для мягких материалов и при высоких интенсивностях обстрела значительно увеличивается шероховатость поверхности ввиду множественных глубоких кратеров.

Типичными изделиями, к которым применяется дробеструйная обработка, являются зубчатые колеса, турбины, лопатки, сварные соединения, пружины и валы. Кроме того, дробеструйная обработка используется для повышения устойчивости к коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением

[52]. Ввиду малой глубины сжимающих остаточных напряжений дробеструйная обработка эффективно используется для увеличения усталостного ресурса в металлических конструкциях, где на поверхности возникают трещины, такие как лопатки газотурбинных двигателей. При дробеструйной обработке практически не наблюдается эффектов при наличии трещин в толще изделия [50, 51]. Часто процесс дробеструйной обработки сочетается с предварительной или последующей термической обработкой, которая оказывает синергетический эффект на усталостную долговечность.

а

б

Рисунок. 1.4.

Схема процесса дробеструйной обработки (а), и распределение остаточных напряжений после дробеструйной обработки (б) [50, 51]

1.2.3. Низкопластичное выглаживание

Низкопластичное выглаживание - это процесс улучшения поверхности, широко используемый для увеличения усталостной долговечности и коррозионного растрескивания под напряжением, который основан на принципе холодного упрочнения [53]. Низкопластичное выглаживание схематически показано на Рисунке 1.5. Нормальная нагрузка на гладкий шарик создаёт давление на поверхность заготовки. Шарик прокатывается по поверхности, вызывая пластическую деформацию в подповерхностном слое. Сферический подшипниковый инструмент создаёт гидростатическое давление на шарик. Он

обеспечивает постоянное охлаждение во время работы, что значительно увеличивает срок службы шарика и предотвращает повреждение поверхности. Низкопластичное выглаживание - автоматизированный процесс, он используется авиатехнике для ремонта, технического обслуживания и производственных процессов. Однако сложные геометрии не могут быть обработаны из-за размерных ограничений системы [54].

Аналогичной технологией является накатка. Техника накатки имеет много общего с низкопластичным выглаживанием. Либо шариковые, либо роликовые валки находятся в механическом контакте с обрабатываемой поверхностью, что создает высокое трехмерное распределение контактных сжимающих напряжений Герца [56]. В отличие от низкопластичного выглаживания, после нескольких проходов достигается более точная обработка поверхности и размеров компонентов. Общим недостатком обоих методов является релаксация сжимающих остаточных напряжений, когда обрабатываемый материал

Жидкость, обеспечивающая Сферический

Рисунок.1.5.

Схема процесса низкопластичного выглаживания [55]

испытывает воздействие повышенной температуры или механическую перегрузку.

Низкопластичное выглаживание и накатка значительно улучшают устойчивость к повреждениям, коррозионное растрескивание под напряжением и усталостные характеристики высоконагруженных металлических конструкций за счёт создания сжимающих напряжений на глубине до 12 мм и глубокого упрочнённого слоя, при этом они сохраняют гладкую поверхность [57]. Механическое упрочнение поверхности используется в лопастях, шасси, медицинских имплантатах и компонентах реакторов. Усталостная прочность этих компонентов улучшаются от 4 до 6 раз, даже если небольшие трещины уже существуют.

1.2.4. Лазерная термообработка

Термические остаточные напряжения обычно рассматриваются как побочный эффект процессов изготовления или технического обслуживания, и их следует избегать. Однако в последнее время лазерной термообработке уделяется большое внимание в качестве метода улучшения поверхности, который преднамеренно генерирует сжимающие остаточные напряжения для сдерживания распространения усталостных трещин в авиационных алюминиевых сплавах [58,59]. Схема лазерной термообработки и распределение создаваемых остаточных напряжений показаны на Рисунке 1.6, соответственно. Расфокусированный лазерный пучок нагревает поверхность по заданной траектории. Ввиду локального расширения в нагретом материале возникают сжимающие напряжения, которые компенсируются растягивающими напряжениями в окружающей области. Предел текучести материала уменьшается с ростом температуры, но сжимающие напряжения растут. Когда предел текучести превышен, начинает происходить пластическая деформация, вызывая образование остаточных напряжений. После охлаждения материла до комнатной температуры в нагретой зоне присутствуют сильные растягивающие остаточные напряжения в продольном направлении, они находятся в равновесии с

остаточными напряжениями сжатия, возникающими вокруг обрабатываемого материала.

Защитный сл

\

Расфокусированный лазерный луч

Температурный градиент

Поперечные остаточные напряжения

X

/ \ о-

Центр нагрева

Рисунок. 1.6.

Схема процесса лазерной термообработки (а), распределение остаточных напряжений после лазерной термообработки (б) [58,59] Недостатком лазерного нагрева является снижение твердости материала в обрабатываемой зоне, что влияет на статическую прочность легких конструкций [1]. Кроме того, многопроходная воздействие при обработке больших площадей вызывает укрупнение микроструктуры [60].

1.2.5. Сравнение традиционных технологий и лазерной ударной обработки

Лазерная термообработка вызывает высокие растягивающие напряжения в зоне нагрева, что приводит к возникновению уравновешивающих сжимающих напряжений меньшей амплитуды в большой окружающей области. При методах холодного сжатия радиальная и тангенциальная компоненты сжимающих остаточных напряжений создаются на кромке обрабатываемого отверстия (при дорновании), они являются однородными по всей толщине, также уравниваясь в объёме растягивающими напряжениями. ДО аналогична ЛУО в отношении характера процесса, но глубина сжимающих остаточных напряжений не превышает 0,3 мм. Низкопластичное выглаживание вызывает остаточные сжимающие напряжения на глубину до 12 мм при сохранении низкой

шероховатости поверхности, но эта технология не может быть применена к сложной геометрии и имеет относительно высокую стоимость.

По сравнению с описанными методами модификации ЛУО является наиболее перспективным ввиду большой глубины и величины создаваемых остаточных сжимающих напряжений, как следствие, наибольшему увеличению усталостной прочности. Согласно [25] усталостная прочность после ЛУО была существенно выше, чем после ДО. Для тонкостенных авиастроительных конструкций ЛУО позволяет создавать остаточные напряжения по всей глубине. ЛУО перспективен для большинства технологических применений, где требуются обработка сложной геометрии и низкие эксплуатационные расходы. Сравнительные характеристики различных методов локальной поверхностной пластической деформации приведены в Таблице 1.

Таблица 1 .

Сравнение методов локальной поверхностной пластической деформации

Процесс Материал Глубина пластического эффекта, мм Максимум сжимающих напряжений (МПа) Увеличение усталостного ресурса

Дорнование AALY12-CZ [49] от 2,5 до 3,0 мм от края отверстия ~ -300 до 6,0 раз

AA2024-T351 [61] от 1 до 2 радиусов от края отверстия ~ -300 от 2,2 до 3,8 раз

Титановый сплав ТС4 [62] от 1,1 до 1,8 мм от края отверстия ~ -400 От 1,5 до 3,0 раз

Дробеструйная обработка BT1-1 [63] 1,5 -705/750 -

Сталь 10 [63] 1,2 -650-700 (остаточное напряжение) -

Таблица (окончание)

Процесс Материал Глубина пластического эффекта, мм Максимум сжимающих напряжений (МПа) Увеличение усталостного ресурса

Алюминиевы й сплав 2024Т 351 [64] От 0,2- 1,2 От -250 до -50 От 5-105 до 5-107циклов

Лазерная ударная обработка Магниевый сплав ZK60, [65] ~ От 0,5 до 1 в глубину От -160 до -200 От 72,9 до 78,5 %

AA6061-T6, [66] 0,6 в глубину -210 От 7,3 % до 99,4 %

AA6061-T6, [67] 1 в глубину От -250 до -300 25 %

AA2024-T351, [68] ~ 1 мм в глубину ~ -350 До 3.5 раз

Ti-6A1-4V, [69] ~ 6 в глубину ~ -400 -

Низкопластично е выглаживание AA2024-T851, [57] От 12 до 25 мм от края От -160 до -200 До 6 раз

AA7075-T6, [70] ~ 1 в глубину ~ -500 До 7 раз

Ti-6Al-4V [71] 0,3 - 0,4 в глубину От -400 до -800 -

Ti-6Al-4Y [72] 0,6 в глубину ~ -1000 -

Лазерная термообработка СЧ-30 Чугун [73] 1 мм - Более 3-х раз

12X18H10T [73] 2 мм - От 40% до 2-х раз

9ХС [74] 6 мм - от 470 до 530 До 2,5 раз

1.3. Параметры технологии лазерной ударной обработки

Хотя лазерная ударная обработка влияет на множество свойств поверхности, как было вкратце перечислено в разделе 1.1, наиболее значимыми являются остаточные напряжения из-за влияния на усталостную долговечность, и микротвёрдость из-за простоты измерения и также положительного эффекта на долговременные характеристики изделия.

Можно выделить следующие параметры процесса лазерной ударной обработки, оказывающие влияние на величину остаточных напряжений и микротвёрдость:

- поглощающее покрытие,

- сдерживающее покрытие,

- диаметр и форма лазерного пятна,

- интенсивность лазерного излучения,

- количество повторных облучений,

- длина волны излучения,

- длительность импульса,

- толщина образца,

- геометрия поверхности,

- угол падения лазерного пучка.

1.3.1 Технологические покрытия

Как говорилось в разделе 1.1 - поглощающее покрытие оказывает прямой эффект на увеличение остаточных напряжений. В разных работах [2,4] были исследованы различные виды поглощающих покрытий: чёрная краска, алюминиевая фольга, цинк свинец, полимерная плёнка и др. Кроме того, процесс ЛУО можно проводить и без покрытий, что было продемонстрировано в [75,76], но увеличение остаточных напряжений в этом случае может быть не столь значительным [4]. Следствием отсутствия покрытия является частичное плавление и образование растягивающих остаточных напряжений на поверхности

[22]. Поглощающее покрытие позволяет исключить тепловой эффект на металлической поверхности [22]. Так как ЛУО - механический процесс, то очень важно исключать термический эффект и выбирать покрытия, подходящие для конкретных условий ЛУО и состояния образца. Это можно понять только путём экспериментального и теоретического моделирования процесса для оптимизации всех параметров ЛУО.

Несмотря на риск оплавления поверхности и создания растягивающих остаточных напряжений, а также уменьшенный коэффициент поглощения, ЛУО без покрытия применяется довольно часто [37,77]. Основная причина - желание перейти к использованию низкоэнергетических лазерных источников [77]. Так как для достижения достаточно эффекта ЛУО необходима интенсивность свыше 1 ГВт/см2, то при энергиях менее 1 Дж необходимо использовать острую фокусировку. Это приводит к необходимости работы при частотах следования импульсов свыше 1 кГц, чтобы поддержать производительность. Позже будет показано, что поглощающее покрытие редко выдерживает больше одного выстрела, а так как для обработки площади требуется перекрытие пятен, то необходимо обновлять покрытие. Это невозможно делать при килогерцовой частоте, поэтому и переходят к ЛУО без покрытия.

Также значение имеет выбор прозрачного покрытия. Расширение плазмы, которая образуется после испарения поглощающего слоя, сдерживается благодаря поглощающему (сдерживающему) слою. За счёт этого данное покрытие увеличивает интенсивность ударных волн, что ведёт к большей пластической деформации. В качестве сдерживающих сред в разное время использовались разные материалы [3,13], как жидкие, так и твердотельные. Самый распространённый материал - это вода по причине сравнительно высокого значения акустического импеданса, который лучше всего подходит для большинства материалов. Вода так же подходит для обработки сложных геометрий, но плохо подходит для наклёпа при высоких температурах из-за испарения. Принципиально выбор прозрачного слоя обуславливается плотностью

и скоростью звука в слое и в образце, что связано со сниженным акустическим импедансом, однако на практике чаще всего используется вода, т.к она хорошо подходит для обработки сложных геометрий, прозрачна для лазерного излучения в широком диапазоне, дёшева и легко доступна.

1.3.2 Лазерные параметры, интенсивность лазерного излучения.

Давление ударных волн Р обычно [14] пропорционально интенсивности лазерного излучения: Р ос I12. Отсюда можно заключить, что поверхностные остаточные напряжения и их глубина растут пропорционально интенсивности, причём т.к. лазерная абляция - пороговый процесс, то и остаточные напряжения растут, начиная с некоторого порогового значения интенсивности [4]. В работе [78] были исследованы остаточные напряжения для длительностей импульса 2,5 и 25,0 нс при разных плотностях мощности в сталях 35СЭ4 и ХС38. Распределение напряжений по глубине полученное рентгеноструктурным анализом показало, что механический эффект от ударных волн зависит от нагрузки на поверхность и времени воздействия. При более длинном импульсе достигается большая глубина, чем при более низкой интенсивности [79]. При плотности мощности в 180 ГВт/см2 (и пикосекундном импульсе) была получена меньшая амплитуда остаточных напряжений, чем для 10 ГВт/см2 и 25 нс [78].

Форма и размер лазерного пятна.

Другой важный параметр процесса ЛУО - это профиль пучка лазерного излучения. Круглый профиль [15] часто используется в разных исследованиях, но работы [17] показали особенные возможности квадратного профиля. Размер пятна в основном связан с выбранными мощностью и интенсивностью излучения [4]. Вариации размеров пятна имеют влияние на распространение ударных волн и скорость их затухания. В работе [4] показано, что для маленьких диаметров распространение ударных волн имеет сферический профиль и затухание пропорционально 1/г2, тогда как плоский фронт и затухание ~ 1/г наблюдалось для больших пятен. В работе [77] показано, что больший размер пятна ведёт к

большей глубине сжимающей области. Более того при больших размерах пятна достигается лучшие однородность напряжений при перекрытии импульсов. Более того, важно учитывать влияние профиля интенсивности лазерного излучения на распределение остаточных напряжений по сечению пучка.

Повторное облучение.

Многократное облучение и перекрытие точек для покрытия большой площади [4] показывают существенное влияние на профиль напряжений. Чем больше количество импульсов, тем выше пластическая деформация, вплоть до достижения точки насыщения [80]. Более того в зонах перекрытия обнаруживается более однородный профиль напряжений после ЛН [15,36]. В работе [81] сравнивали сжимающие остаточные напряжения после одного и двух лазерных выстрелов для образца Ti-6Al-4V (ВТ-6) при длительности импульса 30 нс и потоке 200 Дж/см2. По результатам их работы большая глубина остаточных напряжений была получена при многоимпульсном облучении, что показано на Рисунке 1.7. Причиной большей глубины напряжений для двухимпульсной обработки может быть пластическая деформация, которая создаёт больше движений дислокаций.

Рисунок. 1.7.

Профиль остаточных напряжений после одно и двух кратного облучения с полным перекрытием пятен для Ti-6Al-4V [81]

Длина волны.

В большинстве работ, посвящённых ЛН используются длины волн 355 [82,83], 532 [84] и 1064 нм [24,26]. Влияние длины волны на профиль остаточных напряжений тщательно не изучалось. Причиной служит приоритет желаемым типу лазера, мощности излучения и характеристикам пучка. Тем не менее некоторые исследования проводились, например, в работе [30] изучали влияние ЛУО на алюминиевый сплав 6061 используя 1064 нм (1,2 Дж) и 532 нм (0,9 Дж) с длительностью импульса 8 нс и частотой 10 Гц. Результаты работы [30] говорят о том, что при использовании более высокой энергии импульса и длины волны достигаются более высокие остаточные напряжения -950 и -750 МПа для 1064 и 532 нм соответственно. Существенное влияние длина волны может оказывать на поглощение в прозрачном слое, если использовать большую его толщину. В этом случае приоритетнее длина волны 532 нм, ввиду меньшего поглощения в воде.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Зо Йе Мьят, 2020 год

ИСТОЧНИКАМИ

3.1 Интенсивность и многократное облучение

3.1.1 Описание формируемой лазерным импульсом ударной волны

Влияние интенсивности лазерного излучения на результаты ЛУО связано с давлением, оказываемым на поверхность расширяющимся плазменным факелом, которые образуется в результате лазерной абляции. Необходимо заметить, что амплитуда волны давления от факела, развивающего в сдерживающей среде, в 10 раз больше значений характерных для абляции свободной поверхности [102]. Длительность импульса давления в 3 раза больше по сравнению со свободной абляцией [102].

Максимальное давление, создаваемое ударной волной может быть представлено по следующей зависимости [106]:

где Р - давление ударной волны [ГПа], 10 - интенсивность лазерного излучения [ГВт/см2], 2 - эффективный акустический импеданс, (2/2^1/21+1/22) материалов сдерживающей среды (21) и мишени (7*2), а - эффективность преобразования лазерной энергии в энергию плазмы.

Расчёты по данной модели в работе [107] сравнивались с пьезоэлектрическими измерениями давления для кварца. Представляется, что значение параметра а, не зависит от интенсивности и длительности лазерного импульса (по крайней мере, в диапазоне от 1 до 100 ГВт/см2 и от 3 до 30 нс). Чаще всего а принимается около 0,25 [107].

(3.1)

Зависимость (4) не учитывает длительность импульса или длину волны лазерного излучения, так что может использоваться как достаточно грубое приближение особенно при использовании наносекундной абляции. Тем не менее согласно многим работам [108] она даёт хорошее согласие с экспериментом.

3.1.2 Численное моделирование

Для построения модели поля остаточных напряжений после ЛУО чаще всего пользуются методами конечных элементов МКЭ. В большинстве процедур МКЭ рассматриваются два шага для получения абсолютно стабильного поля остаточных напряжений [108, 109]:

- явный динамический анализ для исследования распространения ударной волны,

- неявный статический анализ для расчёта полей остаточных напряжений.

В данной работе использовался первый подход для непосредственной оценки поля остаточных напряжений для многократной ударной нагрузки с учётом конечной скорости распространения волн. Конечно-элементная модель была разработана с помощью программного обеспечения «ABAQUSTM». Явный динамический анализ использовался для моделирования процесса ЛУО, в том числе распространения волн и релаксации после каждого удара.

Схема 3D модели показана на Рисунке. 3.1. Конечный рассматриваемый объём был помещён в полубесконечное тело, чтобы избежать отражения ударных волн. Сетка общим размером 25 х 25 х 5 мм состояла из около 2,7 млн. сплошных гексаэдрических линейных элементов так что размер каждого элемента бы около 100х100х10 мкм. Использование очень малых элементов позволило правильно учесть распространение волны напряжений (при скорости О)) вблизи поверхности в течение импульса давления длительностью 20 нс.

Перед использованием числового описания лазерных ударов был проведен тест на сходимость [109], чтобы определить оптимальные времена

интегрирования для расчета (по умолчанию Abaqus Explicit предлагает время интегрирования t0=8,6 нс для выбранных условий построения сетки). Было получено, что сокращение этого значения по крайней мере до 2 нс обеспечивает повторяемость получаемых результатов.

Рисунок. 3.1. 3D модель, использованная для моделирования лазерной ударной

Кроме того, при моделировании многократного воздействия в разных пространственных и временных точках был определён минимальный интервал времени между последовательными воздействиями, в пределах которого устанавливается устойчивое остаточное поле напряжений. По истечении 10~5 с кинетическая энергия трехмерного тела обращается в ноль, после чего возможно стабильное моделирование следующего удара. Следует отметить, что этот период времени много больше, чем продолжительность волны давления (около 200 нс).

После этого анализировалось затухание волны напряжений по глубине для разных параметров моделирования.

При моделировании ударного воздействия необходимо описание пластических эффектов в материале. Именно с пластическим деформированием обычно связывают образование в теле ударных волн [94]. Особенностью высокоскоростных динамических задач является то, что при их решении необходимо учитывать такие факторы, как скорость деформирования,

обработки

температура и т.д. На практике для этого часто используется модель Джонсона-Кука [110], согласно которой предел текучести определяется формулой:

<™ = «у(1 + К-еЩ1 + Ь- (^f) ■ (1 + ) • Р) (3.2)

где Sp - эффективная пластическая деформация, So - начальная деформация, aY - статический предел текучески материала, K, n, b, m - коэффициенты модели Джонсона-Кука (см. таблицу 1.), п - объёмный коэффициент сжатия.

Температурная составялющая в формуле (3.2) отсутствует, т.к. согласно многим [106,110] работам, при типичных условия ЛУО изменение температуры при пластической деформации незанчительно (около 40 К [106]). Последний член в выражении (3.2) введён для учёта не только скорости деформации, но и давления. Такой подход: объединение моделей Джонсона-Кука и Стейнберга был продемонстрирован в [110] и показал хорошие результаты.

Предел упругости в направлении распространения ударной волны определяется пределом упругости Гюгонио (ohel - Hugoniot elastic limit) [108, 111]. Когда пиковое давление меньше, чем aHEL, пластическая деформация не происходит. Когда значение пикового давления находится между 1xaHEL и 2xaHEL, деформация происходит при практически полной упругой компоненте. Когда пиковое давление ударной волны превышает 2xqhel, происходит насыщение упругой компоненты деформации, и мишень подвергается только пластической деформации [1 02]. Для получения наилучших результатов ЛУО пиковое давление обычно принимают в оптимальном диапазоне от 2,0xaHEL и 2,5xqhel [108]. Можно предположить, что пластической течение материала мишени происходит при той же скорости деформации (около 106 с-1), что и при достижении пиковым давлением значения aHEL, тогда динамический предел текучести при одноосных условиях связан с aHEL:

где v - коэффициент Пуассона.

Разумно принять допущение, что импульс давления, возбуждаемый плазмой, является равномерным по всей поверхности лазерного пятна, а также то, что пластическая деформация соответствует критерию пластичности фон Мизеса, в котором динамический предел текучести определяется в соответствии с выражением (3.3).

Предел упругости Гюгонио может быть определён несколькими способами:

- экспериментально по зависимости (3.4) путём измерения скорости движения свободной поверхности при деформировании [108],

- может быть принят для данного материала как табличное значение в некотором приближении,

рассчитан по методике, описанной выше.

1

= о-^/ (3.4)

где р - плотность, С0 - скорость звука в материале, и - скорость движения свободной поверхности при деформировании.

Одномерная аналитическая модель для прогнозирования поверхностных остаточных напряжений после ЛУО, разработанная в [106] и использованная в данной работе включает ряд допущений, описанных в разделе 2.1.2. Модель является осесимметричной поскольку давление воздействует на центр поверхности материала. Согласно закону Гука, поверхностная пластическая деформация, ер, может быть записана как [102]:

р 3Я+2М \аНЕЬ ) у >

где X и ^ - коэффициенты Ламэ. Глубину пластического эффекта для данных условий ударного нагружения можно определить как:

Р \Cei-CpiJ V 2аНЕ1 ) к >

где Се1 и Ср1 - скорости упругой и пластической деформации, т -длительность импульса давления.

Се1 и Ср1 определяются из выражений:

Се1= (3.7)

СР1 = (3.8)

Поверхностные остаточные напряжения можно найти из соотношения:

°зиг/ = а0

У£р(1+у)

(1-у)+ао

(39)

где а - размер рассматриваемого элемента поверхности, о0 - значение остаточных напряжений до обработки.

По результатам моделирования поверхностных остаточных напряжений была получена зависимость, показывающее влияние интенсивности лазерного излучения (Рисунок.3.2). Анализируя выражения с (3.1) по (3.9) можно сделать вывод о том, что зависимость от интенсивности является корневой. В этом можно наглядно удостовериться по рассчитанной кривой на Рисунке.3.2, а также по экспериментальным данным. Но необходимо учесть, что для создания достаточной ударной волны для осуществления пластической деформации при лазерной ударной обработке необходимо давление от 2хашь. По этой причине пользоваться описанной методикой можно в ограниченном диапазоне интенсивностей лазерного излучения. В данной работе при расчёте взят материал АМг-6, для него допустимыми границами моделировании являлись от 0,5-109 до 4-109 Вт/см2. При больших значениях интенсивности величина остаточных напряжений не увеличивается.

Интенсивность, Вт/см2 1 х 109 1.5 х 10® 2.Х 109 2.5 х 109 3.x 109 3.5 х 109

Рисунок.3.2.

Теоретически рассчитанное влияние интенсивности лазерного излучения на величину остаточных напряжений после лазерной ударной обработки сплава

АМг-6.

Результаты экспериментального исследования по влиянию интенсивности излучения оценивались при помощи измерений микротвёрдости поверхности обработанных образцов. Применения методики измерения микротвёрдости вместо прямых измерений остаточных напряжений основано на линейной взаимосвязи этих параметров при холодной пластической деформации, подтверждённой в [99]. Линейная зависимость позволяет прогнозировать характер влияния интенсивности, что является достаточным результатом для задач данной работы.

Данные, показанные на Рисунке.3.2, в целом подтверждают теоретическое предсказание. Влияние интенсивности может быть сведено к корневой

зависимости, которая имеет важные участки: линейный участок и участок насыщения эффекта.

При умеренных интенсивностях (от Ы09 до 2-109 Вт/см2 на Рисунке.3.2) лазерной ударной обработки алюминиевого сплава наблюдается практически линейная зависимость твёрдости от интенсивности. Аналогичные результаты получены и экспериментально, при обработке никелевой пластины (Рисунок.3.3). Заметный эффект здесь наблюдался при плотностях мощности от 0,7 Вт/см2 и далее твёрдость линейно возрастала. Эффекта насыщения на использованном оборудовании не было получено, так как все режимы имеющие практическую значимость для целей данной работы располагаются в линейной зоне, а существование эффекта насыщения было показано в работах [102,112] и качественно подтверждается выражением для динамического предела текучести

(5).

Рисунок.3.3.

Экспериментально полученная зависимость микротвёрдости поверхности образца из сплава АМг-6 от интенсивности лазерной ударной обработки при постоянном

диаметре пятна

По мере распространения ударной волны вглубь материала она испытывает затухание, вызванное акустическим сопротивлением среды. Потерянная энергия

переходит в упругие или, если выполняются условия, описанные выше, в пластические деформации. Точный подсчёт глубины пластического эффекта требует вовлечения динамики течения материала, однако для задач данной работы можно воспользоваться приближением затухания ударной волны по экспоненциальному закону пропорционально удельному акустическому импедансу, т.е. мощность ударной волны убывает по закону:

Р = 0,01

),01

у12а+3* 0

где Ъ - расстояние вглубь мишени,

(3.10)

Рас стояние от поверхности, мм

0.2 0.4 0.6 0.!

у

/

/

Рисунок.3.4.

Теоретически рассчитанная глубина распространения остаточных сжимающих напряжений после лазерной ударной обработки сплава АМг-6. Интенсивность излучения - 2,5 ГВт/см2, диаметр пятна - 1 мм.

С учётом зависимости (3.10) была построена модель распространения остаточных напряжений вглубь мишени (Рисунок.3.4). Наибольшие напряжения залегают на некотором расстоянии в глубине из-за влияния поверхности. Затем

напряжения уменьшаются вплоть до расстояния порядка 1 мм (интенсивность 2,5 ГВт/см2), после чего могут переходить в остаточные растягивающие напряжения.

Экспериментально в данной работе измерялся профиль микротвёрдости по глубине мишени. Результаты данного исследования показаны на Рисунке.3.5. Интенсивность излучения была взята аналогичной теоретической модели -2,5 ГВт/см2, что достигалось при фокусировке лазерного импульса длительностью 10 нс и энергией 160 мДж в пятно диаметром 0,9 мм по полуширине пика. Как видно из Рисунок.3.5, глубина пластической деформации ниже глубины остаточных сжимающих напряжений на Рисунке.3.4. Это связано с недостатками теоретической модели и с тем, что заметное повышение микротвёрдости происходит при определённом уровне остаточных напряжений.

Рисунок.3.5.

Экспериментально полученный профиль распределения микротвёрдости вглубь мишени из сплава АМг-6 после лазерной ударной обработки. Интенсивность излучения - 2,5 ГВт/см2, диаметр пятна - 0,9 мм по полуширине пика

При небольших интенсивностях лазерного излучения, как видно на Рисунке.3.5, не удаётся получать большую глубину остаточных напряжений, однако можно существенно увеличить эффект лазерной ударной обработки путём многократного облучения. При повторных ударах пластическая деформация

увеличивается после каждого воздействия, если преодолевается предел упругости Гюгонио. Необходимо отметить, что механические свойства уже наклёпанного (после первого выстрела) материала повышены по отношению к необработанному. В частности, повышен предел текучести. Соответственно при той же интенсивности лазерного излучения и, следовательно, мощности ударной волны степень добавочного упрочнения будет меньше первоначальной. При этом, чем выше начальное упрочнение, тем меньше добавочное. В соответствии с характером распределения эффекта ЛУО, показанном на Рисунке.3.4 и Рисунок.3.5, результаты многократного облучения будут более значительными на глубине под поверхностью, где предыдущая деформация меньше. Выравнивание мощности ударной волны и предела упругости Гюгонио соответствует насыщению пластической деформации для данной плотности лазерного потока. Предельным случаем является превышение предела прочности материала и образование трещин - одна из причин, почему многократное облучение мало задействовано при традиционных режимах ЛУО [76]. Эффект насыщения также приводит к тому, что происходит выравнивание профиля напряжений по глубине.

Моделирование многократного облучения основывалось на соотношениях с (4) по (13). В выражении для динамического предела текучести (5) вместо статического предела текучести ау подставлялось значение ау, повышенное после предыдущего удара, а также увеличенное значение деформации 8р. Результаты моделирования показаны на Рисунке.3.6.

Предела прочности для материала АМг-6 при режимах, рассматриваемых в модели не достигалось, поэтому эффект насыщения не был получен. Тем не менее заметно увеличение эффекта ЛУО при многократной обработке.

Расстояние от поверхности, мм О 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1 - 1 удар,

2 - 2 удара,

3 - 3 удара,

4 - 4 удара,

5 - 5 ударов. Рисунок.3.6.

Теоретически рассчитанная глубина распространения остаточных сжимающих напряжений после многократной лазерной ударной обработки сплава АМг-6. Интенсивность излучения - 2,5 ГВт/см2, диаметр пятна - 1 мм.

Эксперименты подтверждают эффективность многократного облучения. Так, на Рисунке.3.7 показано увеличение микротвёрдости поверхности после нескольких лазерных воздействий подряд, хотя необходимо отметить, что практически многократное облучение сопряжено с рядом проблем, в частности

целостности поглощающего покрытие, исследование которых приведено в главе 4 данной работы.

185

Я 175

2 165

155

145

1 * * * * ✓ !

* * 1 * . * » - *

у . ..--.-Г ✓ \ -

Количество лазерных ударов

1 - Диаметр пятна 1,5 мм, интенсивность 2,83 Дж/см2,

2 - Диаметр пятна 3,0 мм, интенсивность 2,12 Дж/см2

Рисунок.3.7.

Экспериментально полученная зависимость микротвёрдости поверхности после ЛУО при многократном облучении при количестве ударов от 1 до 4

По итогам исследования многократного воздействия при теоретическом моделировании в условиях одноосевой нагрузки и экспериментальной задачи получен значительный эффект увеличения результативности ЛУО с учётом того, что удары последовательно накладывались друг на друга и не нарушали защитное покрытие и не оплавляли поверхность. Рассматривались удары лазерным пучком диаметром 1 мм и интенсивностью 2,5 ГПа от 1 до 5 выстрелов подряд.

Результаты показывают (Рисунок.3.6. и Рисунок.3.7.), что:

уровень пластической деформации и глубина пластического эффекта имеют тенденцию к увеличению, а затем постепенно насыщаются при увеличении мощности или количества ударов,

- глубина пластического эффекта увеличивается в зависимости от количества ударов,

- максимальные значения остаточных сжимающих напряжений лежат подповерхностном слое (около от 50 до 200 мкм), и они стремятся к максимальному значению, близкому к пределу текучести для сплава АМг-6.

Можно заключить, что применение многократного облучения во время лазерной ударной обработки позволяет достигать значительных уровней пластической деформации при умеренных плотностях мощности. Этот эффект имеет большое значение для применения низкоэнергетических источников для ЛУО. Возможно не только достижения высокой степени упрочения на поверхности мишени при меньших энергиях в импульсе, но и добиться значительной глубины пластического эффекта.

3.2 Исследование закономерностей лазерной ударной обработки в условиях

устрой фокусировки

Факторы, описанные в разделе 3.1 оказывают непосредственное влияние на эффект ЛУО в соответствии с зависимостями с (3.1) по (3.9). Однако при переходе из области традиционных режимов ЛУО в область применимости низкоэнергетических источников необходимо учитывать показатель эффективности: коэффициент а в формуле (4). Этот параметр связывает характеристики лазерного импульса, долю его энергию, передаваемую расширяющемуся плазменному факелу и характер воздействия ударной волны на поверхность [98]. Из-за того, что все эти процессы фактически введены в коэффициент а, его значения могут сильно варьироваться при различных комбинация параметров процесса ЛУО. Эффективность определяется не только составом используемых материалов, но и условиями облучения - состоянием поверхности, долей поглощенной в плазменном факеле лазерной энергии [10] и др. Например, в работе [94] отмечалась существенная зависимость глубины абляции от диаметра пятна при равной интенсивности, что приводило к

большему объёму испарённого материала, чем этого следовало ожидать при увеличении площади облучения.

В работах по лазерной ударной обработке уже отмечались отличия в результатах при различных диаметрах пятен [14] и углах наклона [87] без изучения причин этих эффектов, а серьёзных попыток оценить факторы, влияющие на эффективность преобразования лазерной энергии в энергию ударной волны в условиях технологического процесса лазерной ударной обработки не проводилось. Так как традиционные режимы ЛУО имеют различия чаще всего только в энергии лазерного импульса, то этот параметр обычно задаётся эмпирически согласно [102, 106].

В данной работе было проведено исследование того, как условия облучения влияют на динамику процесса лазерной ударной обработки, и была предпринята попытка связать эти результаты с эффективностью процесса лазерной абляции и особенностями протекания пластической деформации после лазерных ударов. На основании измерений поверхностной микротвёрдости было изучено влияние диаметра пятна. Эти результаты сопоставлялись с результатами теоретического моделирования. В разделе 3.3 было произведено фотографирование процесса абляции при различных углах падения и также измерены результаты лазерной ударной обработки при этих условиях. Оценено влияние состояния поверхности образцов.

Для изучения влияния диаметра пятна на процесс лазерной ударной обработки было произведено теоретическое моделирование, в котором рассчитывался профиль остаточных напряжении на поверхности облучаемого образца. В данной части работы вместо сплава АМг-6 был использован чистый никель, чтобы избежать возможного влияния фазовых эффектов, которые могут возникать при пластической деформации.

Для чистого металла изменение микротвёрдости можно сопоставить с изменением остаточных напряжений [99] ввиду отсутствия образования упрочняющих либо охрупчивающих фаз.

1 - диаметр пятна 220 мкм,

2 - диаметр пятна 270 мкм

Рисунок.3.8.

Результаты численного моделирования профилей распределения остаточных при одинаковой интенсивности и различных диаметрах пятен

Зависимость (3.9) использовалась для расчёта суммарного распределения остаточных напряжений вдоль поверхности образца. При этом общая ударная волна, создаваемая лазерным импульсом, разбивалась на набор волн, действующих на каждый элемент. Распространение и затухание каждой элементарной волны рассчитывалось как экспоненциально зависящее от координаты и акустического импеданса. Для изучения влияния диаметра пятна использовался пучок гауссова профиля, диаметр брался по полуширине пика.

Результат моделирования профиля остаточных напряжений после двух лазерных ударов с диаметрами пятен 220 и 270 мкм и энергиями 120 и 180 мДж соответственно показан на Рисунке.3.8. Значения энергии в импульсе подбирались таким образом, чтобы обеспечить одинаковую интенсивность.

Согласно (3.1) мощность создаваемой при лазерной ударной обработки ударной волны зависит от интенсивности лазерного излучения, однако на Рисунке.3.8. видно, что несмотря на одинаковую интенсивность, результаты процесса для пятен 220 и 270 мкм различные. Аналогичные результаты были получены экспериментально на основании измерений микротвёрдости (Рисунок.3.9.). В представленной модели этот результат основывается на том, что итоговые остаточные напряжения в элементарном участке являются результатом суперпозиции ударных волн от всех элементарных участков, подвергнутых облучению. Кроме того, необходимо отметить, что зависимость (4), была выведена на заре развития технологии лазерной ударной обработки [106], и, по-видимому, работает в ограниченном диапазоне режимов облучения. Увеличение диаметра пятна при постоянной интенсивности характеризуется существенно большим (~ ё12/ё22) энерговкладом. При этом обычно увеличивается массовый выход лазерной абляции, что обязано вносить вклад в мощность ударной волны,

и использование зависимости Р = для разных технологических режимов (от нескольких мДж до десятков Дж) требует более детального обоснования.

Экспериментальное исследование влияния диаметра пятна на результаты лазерного наклёпа производилось для значений от 250 до 600 мкм при постоянной интенсивности 2,7109 Дж/см2, т.е. энергия варьировалась от 27 до 153 мДж. Результаты измерений микротвёрдости никелевого образца при указанных режимах, показанные на Рисунке.3.9, демонстрируют существенно большую относительную зависимость эффективности ударной обработки от диаметра пятна, чем можно было бы предположить, анализируя данные теоретической модели.

> 190

К

«r>

185

о

л

о 180

а

:5Г

ю

о 175

5"

^ 170 165 160 155

250 300 350 400 450 500 550 600

Диаметр пятна, мкм

Рисунок.3.9.

Зависимость микротвёрдости поверхности никелевой пластины после лазерной ударной обработки от диаметра пятна. диаметр варьировался от 250 до 600 мкм,

интенсивность составляла 2,7-109 Вт/см2

Даже в сравнительно небольших диапазонах размеров пятен наблюдается схожая зависимость. На Рисунке.3.10. отображены результаты облучения никелевой пластины диаметрами пятен 220, 245 и 270 мкм с плотностями энергии 236, 254 и 209 Дж/см2 соответственно. Лазерная ударная обработка с пятном 270 мкм показывает лучшие результаты как при однократном, так и при трёхкратном облучении, несмотря на меньшую плотность энергии.

По результатам проведённых исследований можно заключить, что при лазерной ударной обработке низкоэнергетическими источниками, точный выбор диаметра пятна на обрабатываемой поверхности имеет значение не только с точки зрения технологических особенностей, но и с точки зрения энергетической эффективности процесса. При малых диаметрах лазерного пятна, несмотря на

достаточную интенсивность излучения эффект ЛУО уменьшается, и пластическая деформация может не быть достигнута. Хотя энергия расширяющегося плазменного факела в области воздействия сопоставима с той же областью для больших пятен, условия ударного воздействия факела на мишень менее благоприятные. Разумной границей является 400 мкм, когда чистое влияние диаметра пятна снижается по отношению к другим параметрам.

Рисунок.3.10.

Зависимость микротвёрдости поверхности никелевой пластины после лазерной ударной обработки от диаметра пятна при однократном и трёхкратном облучении. Диаметры пятен 220, 245 и 270 мкм, плотности энергии 236, 254 и 209

Дж/см2 соответственно

Тем не менее, и при малых пятнах возможно получение сопоставимого эффекта ЛУО. Так на Рисунке.3.10. показаны результаты обработки на пятнах 220, 245 и 270 мкм с плотностями энергии: 236, 254 и 209 Дж/см2, соответственно, что эквивалентно интенсивностям: 2,37-1010, 2,55-1010 и 2,1-1010 Вт/см2. Более того, повторные облучения позволяют достичь результатов

больших, чем однократные облучения большими пятнами. Заметим, что режимы, задействованные в экспериментах на Рисунке.3.9. (при диаметре пятна 600 мкм) и Рисунок.3.10. используют схожие значения энергии в импульсе, а, следовательно, и возможности лазерной установки.

Как видно на Рисунке.3.9, эффект ЛУО линейно уменьшается при уменьшении диаметра пятна. С другой стороны, при увеличении интенсивности лазерного излучения эффект ЛУО линейно возрастает. Учитывая, что интенсивность квадратично зависит от размера пятна, это позволяет выдвигать гипотезу о возможности получения сопоставимого эффекта ЛУО при малых пятнах и энергиях в импульсе, но большей интенсивности. Ещё большего эффекта можно добиться при повторном облучении.

Причиной снижения эффекта ЛУО при снижении размера пятна, как было показано выше (Рисунок.3.8.), является рассеяние ударной волны. Однако мощность ударной волны зависит от интенсивности, следовательно, в центре пятна, она может приводить к повреждению материала вместо пластической деформации, следовательно, имеется предел по снижению размера пятна. Кроме того, производительность процесса также снижается. Вопросы оптимизации параметров рассмотрены в главе 4, где описаны рекомендации по объективному снижению мощности лазерных источников при локальной ЛУО.

3.3 Влияние угла наклона

Другой важный фактор, определяющий эффективность лазерной ударной обработки - преобразование лазерной энергии в энергию ударной волны. Она определяется эффективностью процесса абляции, а также направленностью распространения плазменного факела, т.е. будет ли реакция отдачи паров рассеяна по полуплоскости вниз от поверхности образца либо сконцентрирована в определённую сторону (более подробно этот эффект рассмотрен в [94]). В общем случае эффективность лазерной абляции можно определить из соотношения [98]:

Ее — Ен + Ег + Еаь + Еь + Е;

'Ш

(3.11)

где Ех - падающая энергия, Ек - отражённая энергия, Ег - энергия, пошедшая на нагрев мишени, ЕаЬ - энергия, поглощённая плазменным факелом, Е1 - энергия, затраченная на испарение, Ет - кинетическая энергия испарённых частиц.

Можно констатировать, что в выражении (3.10), Е1Н также включает в себя энергию отдачи испарённых частиц, формирующую, в конечном счёте ударную волну.

Рисунок.3.11.

Значения доли лазерной энергии, отражённой от никелевой пластины, в зависимости от плотности энергии

В данной работе ставилась задача определения влияния условий эксперимента, а значит наибольший интерес представляли Бя и Баь. Отражённый поток при лазерной абляции зависит от плотности падающей энергии, состояния поверхности, угла наклона. Измерения проводились для полированной никелевой пластины облучаемой лазерными импульсами на длине волны 532 нм, длительностью 10 нс и энергиями от 30 до 230 мДж. На Рисунке.3.11. показана

зависимость Бя от плотности энергии для угла падения 60°. При относительно низких плотностях энергии отражательная способность превышает 30 %, но при энергиях больше 10 Дж/см2, величина отражённого потока снижается до уровня меньше 10 %. Необходимо отметить, что что уменьшение отражения связано, в первую очередь, с поглощением в плазменном факеле, тогда как массовый выход абляции растёт слабо [98].

Повторное воздействие на прежде аблированную поверхность приводит к существенному снижению отражённого потока, что видно на Рисунке.3.12. При лазерной ударной обработке с применением низкоэнергетических лазеров это немаловажный фактор. Существенное снижение зеркального отражения в конечном счёте приводит к повышению поглощения мишенью, а также снижению порога абляции.

£3 0,4

3

3 4 5 6

Количество повторных выстрелов

Рисунок.3.12.

Значения доли лазерной энергии, отражённой от никелевой пластины, в зависимости от количества повторных облучений

Влияние угла падения лазерного пучка можно рассмотреть с помощью схемы, показанной на Рисунке.3.13. Так как пары аблированного материала имеют тенденцию распространяться по нормали от поверхности, то меньший их объём будет попадать под луч и ионизироваться за время действия импульса. Таким образом можно снизить поглощение излучения в плазменном факеле и повысить эффективность абляции. Однако необходимо отметить, что процесс лазерной ударной обработки проводится с использованием прозрачного покрытия, чаще всего воды. В отличие от вакуума или воздуха, вода оказывает сильный сдерживающий эффект на развитие факела, и при различных углах при наносекундной абляции может повлиять на динамику процесса.

Рисунок.3.13.

Схема перекрывания лазерного луча плазменным факелом при нормальном падении луча и при падении под некоторым углом

На Рисунке.3.14. показаны измерения коэффициента зеркального отражения от полированной никелевой пластины при однократном облучении на воздухе и различных углах падения. Ввиду меньшего поглощения факелом большая доля излучения как достигает поверхности, так и отражается от неё. Однако изменения микротвёрдости обработанных зон после лазерной ударной обработки в жидкой среде не показали роста эффекта от угла наклона (Рисунок.3.15.). Площадь пятна при этом оставалась неизменной.

Фактическое отсутствие влияния угла падения луча на результат лазерной ударной обработки, видимо, связано с особенностями распространения плазменного факела в жидкой среде. Для изучения особенностей последнего было проведено фотографирование процесса лазерной абляции в жидкости при различных углах падения луча.

S 0,45

В

к

*

0,2

30° 45° 60е 75°

Угол наклона образца

Рисунок.3.14.

Влияние угла падения лазерного излучения на коэффициент отражения

никелевой пластины

Фотографирование процесса лазерной абляции производилось на экспериментальном стенде, показанном на Рисунке.3.16. и Рисунок.3.17. Для съёмки использовалась камера «Canon EOS 650D». При этом для получения наиболее контрастных снимков мы использовали следующие характеристики камеры: диафрагма F/22, выдержка 1/30, ISO 100. Дополнительно использовалась подсветка непрерывным Nd:YAG лазером с перестройкой во вторую гармонику,

мощностью 500 мВт апертурой на поверхности облучаемого образца около 5 мм. В данной работе использовалась достаточно длительная выдержка, так как основный задачей была оценка направлений распространения плазменного факела, а не его временная динамика.

Рисунок.3.15.

Влияние угла падения лазерного излучения на коэффициент отражения никелевой пластины на микротвёрдость поверхности после лазерной ударной

обработки

На Рисунке.3.16. показаны снимки, демонстрирующие развитие факела при нормальном падении в водной среде при облучении никелевой пластины наносекундными лазерными импульсами с длиной волны 532 нм. Факел зарождается вблизи поверхности мишени и затем распространяется по нормали вверх, причём его форма повторяет форму луча, т.е. аблированный материал распространяется «вверх» и ионизируется по мере перекрытия лучом.

Рисунок.3.16.

Фотографии процесса лазерной абляции в жидкости, полученные для разных временных этапов процесса при нормальном падении

На Рисунке.3.17. показаны фотографии, демонстрирующие процесс лазерной абляции при угле падения в 60°. Отчётливо видно, что плазменный факел распространяется в соответствии с направлением падения луча. Характер наблюдаемого на Рисунке.3.17. факела позволяет сделать вывод, что происходит ионизация материала мишени, а не жидкости. Необходимо отметить, что в первом опыте существенных потоков частиц в боковых направлениях не наблюдалось, следовательно, при наклонном падении меняется механизм процесса абляции в жидкости, хотя данный эффект требует дальнейшего изучения.

Рисунок.3.17.

Фотографии процесса лазерной абляции в жидкости, полученные для разных временных этапов процесса при угле падения луча 60°

3.4 Выводы по главе 3

В данной главе было проведено исследование влияния угла наклона и состояния поверхности на процесс лазерной абляции в жидкости. От того, какое количество лазерной энергии будет поглощено материалом и затем аблировано, зависит конечное давление ударной волны. Лазерный импульс создаёт определённую шероховатость поверхности и микродефекты, это существенно повышает поглощательную способность для следующих импульсов, что можно косвенно оценить по данным, показанным на Рисунке.3.12. Было показано, что для лазерной абляции в жидкости влияние угла падения луча на мишень неоднозначно, относительно абляции в вакууме или воздухе. Сдерживание развития плазменного факела жидкой средой приводит к тому, что он частично канализируется в сторону падающего луча из-за чего экранирование поступающей энергии существенно не отличается от нормального падения луча.

По результатам проведённых исследований можно сделать следующие выводы:

1. При лазерной ударной обработке низкоэнергетическими источниками, точный выбор диаметра пятна на обрабатываемой поверхности имеет значение не только с точки зрения технологических особенностей, но и с точки зрения энергетической эффективности процесса.

2. Многоимпульсная обработка (или с большим коэффициентом перекрытия) предпочтительнее одноимпульсной, т.к. приводит к большей поглощательной способности поверхности мишени.

3. Сочетание снижения диаметра пятна, энергии в импульсе и повторных облучений позволяет добиваться результатов, сопоставимых с облучениями большими размерами пятен, но приводит к снижению энергетических требований к лазерным источникам для ЛУО.

4. При больших толщинах прозрачной жидкой среды увеличение угла падения лазерного луча не приводит к изменению эффективности абляции.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЛАЗЕРНОЙ УДАРНОЙ ОБРАБОТКИ

4.1. Выбор технологических покрытий

Вопрос о применении низкоэнергетических источников для лазерной ударной обработки сводится не только к подбору соотношения диаметр пятна/интенсивность. Помимо обеспечения интенсивности лазерного излучения необходимой для создания достаточного уровня мощности ударной волны существует ещё несколько проблем применения низкоэнергетических источников для ударной обработки.

Одна из проблем - выбор технологических покрытий. В процессе лазерного наклёпа требуется использование двух типов покрытий (Рисунок 4.1): поглощающего (абляционного) и прозрачного (сдерживающего) [113]. В поглощающем покрытии происходит лазерная абляция, и оно защищает основной материал от оплавления. Сдерживающее покрытие, в свою очередь, необходимо для увеличения энергии ударной волны за счёт эффекта ограничения развития плазменного факела и, как следствие, перенаправления энергии в сторону обрабатываемого материала. В современной практике применяют как разные прозрачные и поглощающие покрытия, так и различные их сочетания [114], но в производстве в качестве сдерживающей среды чаще всего выбирают воду, так как это дешевое и технологически простое решение [115]. В роли поглощающего покрытия обычно используют чёрную краску - из-за хорошего поглощения лазерного излучения и её доступности [14]. В научных работах чаще применяют алюминиевую фольгу, благодаря лучшей воспроизводимости результатов эксперимента [114].

Малый размер лазерного пятна предполагает сканирующий режим обработки, а значит частое перекрытие пятен. При этом с одной стороны может увеличиться эффект ударного воздействия [116], с другой - может нарушится

целостность абляционного слоя, а это один из наиболее нежелательных эффектов при лазерном наклёпе. Так как для сканирующего режима обработки малыми пятнами требуется сравнительно высокая частота следования импульсов, и обновлять покрытия после каждого лазерного выстрела невозможно, то вид, толщину поглощающего слоя и режим его облучения необходимо аккуратно подбирать таким образом, чтобы он выдержал необходимое количество повторных ударов. Также нужно отметить, что комбинация краска-вода приводит к существенным нестабильностям процесса, так как контролировать их толщину не представляется возможным. В случае прецизионных применений лазерного наклёпа (например, применения в технологической цепочке процесса селективного лазерного плавления [25]) точный контроль размеров технологических покрытий, а также их плотного прилегания к обрабатываемой поверхности может иметь большое значение.

Таким образом, в случае использования низкоэнергетических источников лазерного излучения и перехода к малым размерам пятен при высокой скорости сканирования процесс ударной обработки существенно усложняется. Необходимо искать компромисс между уровнем лазерной энергии, производительностью и возможностью поглощающего покрытия выдерживать многократное облучение.

Целью данного этапа работы являлось определение критериев выбора технологических покрытий в процессе лазерной ударной обработки цветных металлов при использовании маломощных лазерных источников.

В качестве сдерживающих покрытий были выбраны: лабораторное стекло (удельное акустическое сопротивление 7=1,44-106 г/см3-с), глицерин (7=0,24-106 г/см3-с), вода (7=0,15-106 г/см3-с), и спирт (7=0,09-106 г/см3-с). В качестве поглощающих (абляционных) покрытий были выбраны: чёрная аэрозольная краска, алюминиевая фольга толщиной 50 мкм, наклеенная при помощи цианакрилатного клеевого состава, алюминиевая фольга, наклеенная при помощи клейкой ленты (толщиной 40 мкм), и отдельно клейкая лента.

Распределения микротвёрдости поверхности алюминиевого образца после лазерной ударной обработки при различных сдерживающих покрытиях показаны на Рисунке.4.1. Наибольшие значения микротвёрдости получаются вблизи центра пятна, что согласуется с представлениями о зависимости мощности ударной волны, ответственной за пластическую деформацию, от интенсивности лазерного излучения [117]. Исходя из полученных результатов видно, что похожий результат получен при применении всех рассматриваемых жидких сред. На их фоне выделяется результат при применении твердотельной среды - стекла, что связано с большей величиной его акустического импеданса и, соответственно, большим сдерживанием развития плазменного факела. В данной работе не учитывались эффекты поглощения и рассеяния лазерного излучения в рассмотренных жидких средах, так что с этими эффектами могут быть связаны низкие результаты применения глицерина (как среды с большим импедансом, чем у воды и спирта).

На Рисунке. 4.2. приведены распределения микротвёрдости поверхности алюминиевого образца после лазерного наклёпа при различных абляционных покрытиях. При использовании чёрной краски и алюминиевой фольги, приклеенной цианакрилатным клеем, распределения сильно неравномерны. Ярко выраженная зависимость от положения относительно центра пучка также отсутствует. Такой эффект можно связать со сложностью равномерного нанесения покрытий и контроля их толщины. Как будет показано ниже, в центре пучка с большой вероятностью может происходить оплавление поверхности образца. В тоже время профиль микротвёрдости после лазерного наклёпа с абляционным покрытием в виде фольги, наклеенной на клейкую ленту, имеет более равномерную форму и позволяет проводить многоимпульсную обработку, что также показано на Рисунке.4.1.

£

н 198 192 186 180 174 168 162 156 150

-300 -225 -150 -75 0 75 150 225 300 375

Расстояние от центра пятна, мкм

Рисунок. 4.1.

Распределение поверхностной микротвёрдости никелевой пластины после лазерного наклёпа при разных сдерживающих покрытиях (1 - спирт, 2 -глицерин, 3 - вода, 4 - стекло). Энергия в импульсе была 180 мДж, диаметр пятна

- 210 мкм по полуширине пика)

На Рисунке.4.3. показаны значения микротвёрдости в центре пятна при разных поглощающих покрытиях. В случаях, когда покрытие после воздействия лазерного излучения повреждалось, измерения микротвёрдости производились вблизи центра пятна в неоплавленном месте. Сверху показан разброс значений (между максимумом и минимумом). С точки зрения эффекта наклёпа, лучший результат показывает чёрная краска, однако она обладает низкой стойкостью к лазерному воздействию и, как правило, прогорает после первого импульса. В традиционной технологии ЛУО краску наносят перед каждым импульсом, что не всегда является удобным. Сочетание клейкой ленты и фольги позволяет

проводить многоимпульсную обработку даже в том случае, если фольга прогорает. Внешний вид покрытий показан на Рисунке.4.4. Видно, что лента обугливается, не пропускает лазерное излучение и способна выдерживать воздействие до 4 лазерных импульсов.

Рисунок.4.2.

Распределение поверхностной микротвёрдости никелевой пластины после лазерного наклёпа при разных абляционных покрытиях (1 - клейкая лента, 2 -чёрная краска, 3 - клей + алюминиевая фольга, 4 - клейкая лента (2 удара). Энергия в импульсе была 180 мДж, диаметр пятна - 200 мкм по полуширине пика

Несмотря на то, что абляционным покрытием может выступать сама клейкая лента, большей эффективности нам удалось добиться при сочетании лента-фольга. Алюминий имеет большую эффективность поглощения высокоинтенсивного излучения, чем лента и их комбинация, таким образом, является предпочтительной для обработки ЛУО с перекрытиями импульсов. Отметим, что при большом количестве повторным лазерных ударов лента также

150

-300 -225 -150 -75 0 75 150 225 300 375

Расстояние от центра пятна, мкм

начинает повреждаться, что видно на Рисунке.4.4. (б), а на Рисунке.4.3. отражено как больший разброс значений микротвёрдости. Частичный прогар либо частичное оплавление самой ленты приводят к плохой повторяемости результатов.

> 260

260

л н о

о «

а

СП

ё а и

5

240

220

200

180

160

219

&.......»

207

ФОЛЬГА + ЛЕНТА

246

ЧЁРНАЯ КРАСКА

210

......Ж

200

245

240

й-......^

228

ЛЕНТА (1 ЛЕНТА (2 ЛЕНТА (4 ИМП.) ИМП.) ИМП.)

Тип абляционного покрытия

Рисунок.4.3.

Значения микротвёрдости в центре пятна при разных поглощающих покрытиях

По итогам данного исследования можно вывести оптимальное сочетание сдерживающей и поглощающей сред, при котором процесс ЛУО происходил бы наиболее эффективно. Например, т. к. ЛУО производится высокоинтенсивным излучением, часто с несколькими повторениями и/или перекрытиями, то из поглощающих покрытий наилучшим выбором будет сочетание фольги с клейкой лентой. Такое покрытие не теряет целостности при многократном облучении. В качестве сдерживающей среды лучше всего брать стекло, для которого выше эффективность ЛУО. Необходимо отметить, что технологически стекло не всегда возможно применить, особенно если производится обработки изделий сложной формы. В этом случае оптимальным выбором сдерживающей среды остаётся

вода, которая способна выполнять свои функции вне зависимости от геометрии обрабатываемой поверхности.

а) б)

Рисунокунок 4.4.

Внешний вид абляционных покрытий после многоимпульсного лазерного облучения. Алюминиевая фольга (а) прогорает при сильном перекрытии импульсов, но находящаяся под ней лента обугливается и защищает поверхность

образца от оплавления

4.2. Регрессионный анализ степени влияния параметров процесса ЛУО на

поверхностную микротвёрдость

Целью данного этапа работы явилось получение математической зависимости глубины ударного воздействия лазерного излучения на материал (Ь) от плотности энергии импульсов (д), диаметра пятна (Э) и количества ударов (К).

Для построения математической регрессионной модели ИУ=£' (Э, К, д) был проведен полнофакторный эксперимент, в котором плотность энергии импульсов и диаметр пятна излучения варьировались на 3 уровнях, а количество воздействующих импульсов - на 5, в каждой точке плана эксперимент дублировался 5 раз. План и результаты эксперимента приведены в Таблице 9.

Таблица 9.

План и результаты эксперимента

№ Диаметр пятна, мкм В Количество ударов N Плотность энергии Дж/см2 д Микротвёрдость НУ

1. 270 1 120 174.5

2. 270 2 120 178

3. 270 3 120 195.5

4. 270 1 90 168.5

5. 270 2 90 171

6. 270 3 90 183

7. 270 1 60 166.5

8. 270 2 60 170.5

9. 270 3 60 194

10. 270 1 120 170.5

11. 245 2 120 192

12. 245 3 120 196.5

13. 245 1 90 171.5

14. 245 2 90 189.5

15. 245 3 90 201

16. 245 1 60 166.5

17. 245 2 60 180

18. 245 3 60 193.5

19. 245 1 120 187

20. 245 2 120 193.5

21. 245 3 120 201

22. 245 1 90 174

Таблица 9 (окончание).

№ Диаметр пятна, Количество Плотность Микро-

мкм ударов энергии Дж/см2 твёрдость

В N q НУ

23. 245 2 90 190.5

24. 245 3 90 205

25. 245 1 60 177

26. 220 2 60 195

27. 220 3 60 203.5

При неизменных условиях проведения эксперимента изменение количества ударов (К) не приводит к значительному изменению диаметра пятна в области обработки. Однако увеличение энергии в импульсе q от 80 до 297 мДж сопровождается возрастанием диаметра пятна от 10 до 5 мм. Опыт 2 достигает 5 мм при максимальной энергии 77 мДж. Графическое представление изменения результатов ЛУО при варьировании параметров процесса показано на Рисунке. 4.5, Рисунок. 4.6 и Рисунок.4.7.

Результаты показывают, что одного и того же эффекта ЛУО можно добиться при разных сочетаниях параметров. Режим развитой абляции с обозначеныыми ранее плотностями от 10 до Дж/см2 до 16 Дж/см2 достигается при энергиях порядка 120 мДж и диаметрах пятна около 245 мм. При этом достаточно находиться в нижней границе эффективной абляции, т.к. повторное облучение приводит к дальнейшей пластической деформации и увеличению эффекта ЛУО.

1 - Диаметр пятна 245 мкм,

2 - Диаметр пятна 270 мкм

Рисунок.4.5.

Зависимость микротвёрдости поверхности после ЛУО от энергии в импульсе при

различных диаметрах пятна

200

>

Ч". 195

гч

о" 190

1

с —. 185

С—

1 о 180

о.

£ 175

170

165

т 1 /—

(Г*'"" и Ч \ Гч ч V у ч / 2

ч

\ \ %

%

\ 1 1

220 245 210

Диаметр пятна, мкм

1 - Энергия в импульсе 120 мДж

2 - Энергия в импульсе 90 мДж

Рисунок.4.6.

Зависимость микротвёрдости поверхности после ЛУО от диаметра пятна при

энергиях в импульсе

205 i

/

155

1 2 3

Количество повторных ударов

1 - Энергия в импульсе 120 мДж

2 - Энергия в импульсе 90 мДж

3 - Энергия в импульсе 60 мДж

Рисунок.4.7.

Зависимость микротвёрдости поверхности после ЛУО от энергии в импульсе при

различных диаметрах пятна.

В ходе получения математической модели предполагалось, что зависимость HV=f (D, N, q) имеет следующий вид:

HV = Ь0+ Ьг D + b2N + b3q + b4DN + b5Dq + b6Nq + b7DNq + b8D2 + b9N +

bw Е2 (4.1)

Для получения коэффициентов уравнения (4.1) использовался метод наименьших квадратов, основанный на минимизации суммы квадратов отклонений значений, предсказанных уравнением от исходных данных (Таблица 1). Согласно данному методу вектор-столбец оценок коэффициентов регрессии В, можно рассчитать по формуле:

В = (XTX)-1XTL (4.2)

где Х- матрица входных факторов, L - вектор экспериментальных данных.

Результатом проведенных расчетов является следующая зависимость:

HV = 226,64 - 0.412 • D + 44,04 • N + 0,079 • q - 0,11 • DN - 0,0007 • Dq -0,3005 • Nq + 0,001 • DNq + 0,00053 • D2 + 0,5 • N + 0,00166 • Е2 (4.3)

Проверка значимости коэффициентов уравнения (4.3) по /-критерию показала, что все коэффициенты значимы, т.е. ни один из членов уравнения не может быть исключен (Таблица 10).

Расчетное значение критерия ti рассчитывалось по формуле:

t =

■4m

' ci+i, j+i

(4.4)

где с++1 ++1 - соответствующие элементы матрицы С = (X • X)1. Граничное значение критерия при уровне значимости а=0,05 1грст =1,96.

Таблица 10.

Проверка значимости коэффициентов моделей

i bt ti tгран a=0,05

1 226.6467 183.2222

2 -0.41244 -6.94444

3 44.04722 12.05556

4 0.079444 2.333333

5 -0.11833 -0.70833

6 -0.00078 0.916667 1,96

7 -0.30056 -1.66667