Лазерный мир

Техника лазерного наклепа не нуждается в неэкономном перекрытии импульсов в атмосферных условиях

Лазерный наклеп (laser peening) или лазерное ударное упрочнение — технология поверхностной модификации с использованием лазерного ударного сжатия для улучшения свойств металлов, таких как твердость, остаточное напряжение, усталостные свойства и коррозионная стойкость. В настоящее время наносекундный импульсный лазер используется в качестве инструмента для лазерного наклепа в аэрокосмической, автомобильной, медицинской и ядерной промышленности. Твердый материал, который облучается наносекундным лазерным импульсом, преобразуется в газ или плазму из жидкой фазы, что сопровождается объемным расширением. Ударная волна при расширении приводится в действие как сила отдачи по поверхности и распространяется в материал. Пластическая деформация материала посредством ударной волны способствует эффекту наклепа.
В случае, когда используется лазерный импульс с длиной волны инфракрасного излучения (~ 1,05 нм), поверхность материала должна быть покрыта защитным покрытием или расходуемым слоем, таким как черная краска или алюминиевая лента, чтобы предотвратить поверхность от плавления или нанесения повреждения от лазерного импульса. После лазерной обработки необходимо удалить оставшееся покрытие.

Разработка метода

Лазерный наклеп без нанесения покрытия был разработан с использованием 532 нм лазеров, при оптимизации условий процесса, которые были применены к практическим приложениям в ядерной промышленности. Однако поверхность должна была быть покрыта прозрачной средой, такой как вода, чтобы подавить расширение плазмы и получить высокую амплитуду ударной волны, достаточную для пластической деформации материала для обеих длин волн. Несмотря на то, что процесс микроскопического ударного упрочнения был разработан с использованием более короткой длины волны 355 нм с длительностью импульса около десятков наносекунд для подавления теплового повреждения, тот процесс также требует как покрытия, так и воды. Наносекундный лазерный процесс не создает достаточной ударной волны, если поверхность не покрыта средой для удержания плазмы. Хотя применимость лазерного наклепа будет определенно увеличена, если среда для удержания плазмы не потребуется, такая технология никогда не была реализована для наносекундного лазерного процесса.
Интенсивность фемтосекундного лазерного импульса, эквивалентная энергии в единицу времени на единичной площади и пропорциональная квадрату напряженности электрического поля, чрезвычайно велика даже при низкой энергии, поскольку ширина импульса чрезвычайно короткая. Поэтому прямое облучение твердой поверхности фемтосекундным лазерным импульсом приводит к интенсивной ударной волне, которая распространяется в твердое тело. Такая ударная волна, возбуждаемая фемтосекундным лазерным импульсом, облучаемая в атмосферных условиях, пластически деформирует материал, что приводит к появлению метастабильных фаз высокого давления1, 2 или образованию высокой плотности дислокаций.3-6 Зоны термического влияния и расплавления, образованные фемтосекундным лазерным импульсом намного меньше, чем наносекундный лазерный импульс из-за его чрезвычайно короткой длительности. Таким образом, с использованием фемтосекундных лазерных импульсов появляется возможность наклепа без неэкономного наложения импульсов в атмосферных условиях.7
Материалом, используемым в этом исследовании, был алюминиевый сплав 2024 с покрытием, который коммерчески используется в аэрокосмической промышленности. Наблюдалась морфология поверхности и измерялись ее механические свойства, такие как твердость, остаточные напряжения и усталостные свойства для оценки эффекта наклепа. В этом исследовании использовался алюминиевый сплав 2024-T351, за исключением испытаний на усталость, в которых использовался алюминиевый сплав 2024-T3. Испытуемое напряжение сплавов 2024-T351 и 2024-T3 составляет соответственно 321 и 334 МПа. Поверхность образца, подлежащего облучению лазерными импульсами, подвергали электрополировке в 20% -ном растворе серной кислоты-метанола в течение 30 с для удаления слоя, упрочненного при предварительной обработке.

Сухой лазерный наклеп поверхности

Рис. 1 схематически иллюстрирует экспериментальную установку для сухого лазерного наклепа с использованием фемтосекундных лазерных импульсов. Образец образца алюминиевого сплава 2024-T351 с размерами 10 × 10 × 10 мм3 был установлен на подвижке x-y, как показано на Рис. 1a. Фемтосекундные лазерные импульсы (с использованием Spectra-Physics Spitfire laser) с длиной волны 800 нм и шириной импульса 120 фс были сфокусированы с использованием плосковыпуклой линзы с фокусным расстоянием 70 мм и излучались по нормали к электрополированной поверхности образца в воздухе.
Перед экспериментом по наклепу исследовалась глубина, отгравированная одним импульсом фемтосекундного лазера, в зависимости от энергии импульса, для выбора условий наклепа. Глубина кратера, образованная фемтосекундным лазерным излучением в фиксированном положении, измерялась с использованием лазерного микроскопа. Удаленная глубина на импульс оценивалась путем деления глубины кратера на количество импульсов облучения. Для наклепа образец алюминия перемещался в направлениях x и y во время лазерного облучения, как показано на Рис. 1b. Степень покрытости Cv выражается формулой
Cv = πD2Np / 4
, где D — диаметр пятна лазерного импульса, а Np — количество импульсов на единицу площади. Np изменяется путем изменения скорости движения в направлении x и расстояния между импульсами в направлении y.

Рис. 1. Схематические иллюстрации (а) экспериментальной установки для лазерного облучения, (б) направление сканирования лазерных импульсов для установки, показанной на (а), и (в) форма и размеры образцов для испытаний на усталость и направление сканирования показаны лазерные импульсы для усталостных образцов; изображение испытательного образца для усталости, соответствующее (с), показано в (d).

Поверхностная морфология, твердость и остаточные напряжения

Морфологию поверхности сухого алюминиевого сплава после лазерного наклепа покрытием наблюдали с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM, Hitachi S-3000H). Остаточное напряжение на поверхности с сухим лазерным нпклепом оценивали по дифракционному пику алюминия (311) в рентгеновских лучах CrKα (2,2897 Å) при значении модуля Юнга 70,300 ГПа и коэффициента Пуассона 0,345. Тонкие слои поверхности последовательно удалялись электролитической полировкой для получения профиля глубины остаточного напряжения. Твердость поперечного сечения измеряли с использованием системы нановдавливания (nanoindentation) (ELIONIX ENT-1100a) с приложенной нагрузкой 1 мН. Перед испытанием на нановдавливание поперечное сечение полировалось пучком Ar-ионов 5 кэВ (JEOL SM-09010) для удаления затвердевшего слоя.
На Рис. 2 показаны SEM-изображения сухого лазерного наклепа поверхности алюминиевого сплава 2024-T3. Капель не наблюдается, что указывает на то, что фемтосекундная лазерная обработка создает пренебрежимо малый расплавленный слой. Шероховатость поверхности Ra составляет 1,2 мкм, что намного ниже, чем у поверхности наносекундного лазерного наклепа , а также на поверхности с покрытием за счет дробеструйной обработки .

Рис. 2. СЭМ-изображения поверхности образца 2024-Т3 после сухого лазерного наклепа. Рис. 3 показывает остаточное напряжение вдоль направления x σx и y направления σy и твердость в зависимости от глубины от поверхности.

Поверхностная область в пределах около 100 мкм имеет остаточное напряжение сжатия для обоих направлений x и y, максимальное значение которых составляет около 300 МПа на глубине 6 мкм, что почти такое же, как и 0,2% напряжение предела стойкости  алюминиевого сплава 2024-T3 , Область в пределах 6 мкм от поверхности с наибольшим компрессионным остаточным напряжением соответствует самой закаленной области. Наибольшее значение твердости составляет почти в два раза большее от необработанного  алюминиевого сплава с твердостью 2,0 ГПа, что указывает на местное упрочнение или пластическую деформацию, вызывающую остаточное напряжение сжатия.

РИС. 3. Твердость и остаточное напряжение при сухом лазерном наклепе алюминиевого сплава 2024-T3 ; полосы ошибок указывают на неопределенность измерения.

Усталостные свойства

Форма и размеры усталостных образцов алюминиевого сплава 2024-T3 показаны на Рис. 1c. Толщина образца составляла 3 мм. Как верхняя, так и нижняя поверхности были обработаны до  зеркального состояния так же, как образцы 2024-T351. Для обеих поверхностей выполнялись сухой лазерный наклеп. Изображение образца для испытания на усталость после обработки сухим лазерным наклепом показано на Рис. 1d. Испытания на изгиб проводились с циклической скоростью 1400 циклов / мин с постоянной амплитудой деформации и отношением напряжений R = -1 в воздухе при комнатной температуре.

Обе поверхности образца для испытания на усталость, показанные на Рис. 1с, были обработаны лазерным наклепом с использованием энергии импульса 600 мкДж и Показателем покрытия 2768%. Связь между амплитудой напряжения и числом циклов до отказа для обработанного лазерным фемтосекундным наклепом алюминиевого сплава 2024-T3  и с базовым материалом показана на Рис. 4. Срок службы до усталостного разрушения был увеличен до 38X по сравнению с базовым материалом при амплитуде напряжения 195 МПа , Устойчивость к усталости при 2 × 106 циклах  образца с лазерным наклепом была на 58 МПа больше, чем у основного материала.

Рис 4. Результаты испытаний на плоский изгиб для образцов сухого лазерного наклепа алюминиевых сплавов 2024-T3 и базового материала.

Усталостные свойства алюминиевого сплава 2024 были улучшены путем сухого лазерного наклепа с использованием фемтосекундных лазерных импульсов, образцы обработаны на воздухе без покрытия, такого как защитное покрытие, и воды в качестве среды для удержания плазмы. При энергии импульса 600 Дж и показателем охвата 2768% усталостный срок был улучшен на 38X по сравнению с базовым материалом при амплитуде напряжения 195 МПа. Устойчивость к усталости при 2 × 106 циклах обожженного образца была на 58 МПа больше, чем у основного материала. Поверхность была упрочнена на глубину нескольких десятков микрометров. Сжимающее остаточное напряжение, индуцированное в области поверхности, было почти равно 0,2% -ному испытательному напряжению алюминиевого сплава 2024. Толщина слоя с остаточным напряжением сжатия составляла около 100 мкм.

Прогноз

Процесс сухого лазерного формования имеет большой потенциал для применения в различных областях, где обычные методы упрочнения не могут использоваться, тогда как этот процесс может быть осуществлен в условиях окружающей среды без использования среды для удержания плазмы, такой как вода или прозрачные материалы. Например, микро-устройство, такое как нано- или микроэлектромеханические системы (MEMS), может быть обработано лазерным наклепом фемтосекундными лазерными импульсами, поскольку диапазон зоны термического воздействия импульсами находится в нано-микрометрическом масштабе. Кроме того, этот процесс может быть теоретически выполнен в вакууме, потому что нет существенной разницы между ударным давлением в вакууме и на воздухе, что позволяет использовать этот метод в космосе.

Литература

1. T. Sano, H. Mori, E. Ohmura, and I. Miyamoto, Appl. Phys. Lett., 83, 3498–3500 (2003).
2. M. Tsujino et al., J. Appl. Phys., 110, 126103 (2011).
3. M. Tsujino et al., Appl. Phys. Express, 5, 022703 (2012).
4. T. Matsuda, T. Sano, K. Arakawa, and A. Hirose, Appl. Phys. Lett., 105, 021902 (2014).
5. T. Matsuda, T. Sano, K. Arakawa, and A. Hirose, J. Appl. Phys., 116, 183506 (2014).
6. T. Matsuda et al., Appl. Phys. Express, 7, 122704 (2014).
7. T. Sano et al., J. Laser Appl., 29, 012005 (2017).

TOMOKAZU SANO (sano@mapse.eng.osaka-u.ac.jp) является доцентом кафедры материалов и производственной науки Высшей инженерной школы Университета Осаки в Осаке, Япония; www.mapse.eng.osaka-u.ac.jp/sano/en

Перевод: https://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-33/issue-4/features/dry-laser-peening-method-uses-femtosecond-laser-pulses.html