Лазерный мир

С.И. Кузнецов, А.Л. Петров // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2003

Рассмотрены особенности использования лазерного излучения для модификации поверхности и раскроя углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ), углепластиков и углеродных тканей. Проведены исследования структурно-фазового состава гомогенно неграфитирующихся углеродных материалов (волокнистые углерод-углеродные композиционные материалы), обработанных непрерывным лазерным излучением в воздушной среде, аргоне, гелии и вакууме.

Установлено, что структурно-фазовые изменения в исследуемых материалах протекают схожим образом и характеризуются появлением графитовых фаз гексагональной и ромбоэдрической модификаций. Изучена возможность формирования защитных покрытий на углерод-углеродных композиционных материалах методом лазерного переплава порошков тугоплавких элементов и соединений. Исследованы процессы реакционного формирования покрытий при лазерном переплаве порошковых смесей Si. C и Si. Mo. Определены оптимальные режимы обработки, составы и толщины наносимых защитных слоёв.

Рассмотрены особенности раскроя углепластиков, углерод-углеродных композиционных материалов и углеродных тканей непрерывным и импульсно-периодическим лазерным излучением. Стремление повысить физико-химические и механические характеристики углеродных материалов стимулирует поиск нетрадиционных подходов к разработке новых технологий их получения и обработки. Одним из таких подходов является использование мощных технологических лазеров для модификации поверхности углеродных композитов.

Реализуемая при этом существенная не-равновесность условий определяет особенности протекания процессов графитации и диффузионного перераспределения углерода в зонах лазерного воздействия. С практической точки зрения использование лазерного излучения может позволить контролируемым образом изменять физические, химические и механические свойства поверхности изделий из углеродных материалов, а также применять лазерное излучение для раскроя углеродных материалов и нанесения на них защитных покрытий. В настоящей работе на основе проведённых авторами исследований обсуждаются возможности и перспективы использования лазерного излучения для улучшения физико-механических и химических характеристик УУКМ. Для раскроя углепластиков и УУКМ применялись технологические СО2 — лазеры (длина волны излучения X = 10,6 мкм), работающие в непрерывном (максимальная мощность излучения Р = 1500 Вт) и импульснопериодическом (максимальная средняя мощность Р = 1000 Вт) режиме излучения, а также твердотельные лазерные установки «Квант — 15» с длиной волны излучения 1,06 мкм (импульсно-периодический режим излучения с максимальной частотой следования импульсов 10 Гц и максимальной энергией в импульсе 8 Дж) и непрерывный УЛО:Кё-ла-зер ЛТН-103 (длина волны излучения X = 1,06 мкм, максимальная мощность излучения Р = 150 Вт).

Источником лазерного излучения в процессе термообработки служили непрерывный УЛО:Кё-лазер ЛТН-103 и технологический СО2 — лазер в непрерывном режиме излучения. Для нанесения покрытий использовался технологический СО2 — лазер. Методика лазерной резки углепластиков и УУКМ, термообработки УУКМ и нанесения защитных покрытий на эти материалы подробно описана в работах [3-9]. Структурно-фазовый состав зон лазерного воздействия изучался методом рентгеновского фазового анализа на дифрактометре Дрон-3.

Визуальный анализ поверхности образцов, измерение зоны термического воздействия и микротвёрдости нанесённых покрытий проводились с помощью оптического металлографического микроскопа КеорЬо1;-30 и микротвердомера ПМТ-3. Экспериментальные результаты и их обсуждение Лазерная резка углеродных композиционных материалов Основными характеристиками лазерного раскроя являются ширина и глубина реза, качество формируемых кромок, ширина зоны термического влияния (ЗТВ). Проблемы, возникающие при резке углеродных материалов, не присущи металлическим сплавам и связаны с физическими свойствами углерода как вещества. Во-первых, углерод при нормальном давлении не плавится, поэтому основным механизмом лазерного раскроя углеродных материалов является механизм испарения. Во-вторых, температура испарения углерода очень высока, что обусловливает значительную ЗТВ.

В научной литературе процессы лазерной резки волокнистых углеродных композитов, видимо из-за специфики их основного использования, освещены довольно скромно. Причём касаются эти работы резки углепластиков [3-5, 10]. Авторы работы [10] приводят результаты, которые, в основном, совпадают с результатами наших работ [3, 4]. Главным недостатком раскроя углепластиков непрерывным лазерным излучением является образование значительной по размерам зоны термического влияния, которая при малых скоростях резки (менее 10 мм-с-1) приближается к 3 мм [3, 4]. И хотя размеры ЗТВ при лазерном раскрое УУКМ значительно меньше, чем при раскрое углепластиков [5], возникшие термические напряжения могут привести к снижению механических характеристик материала.

Использование для раскроя углепластиков импульсно-периодического излучения снижает ЗТВ, по крайней мере, на порядок (до 0,3-0,5 мм) [3, 4]. При резке УУКМ импульсно-периодическим лазерным излучением ЗТВ не превышает 0,2-0,25 мм [5]. Основным недостатком раскроя угле-композитов излучением импульсно-периодического лазера с малой частотой следования импульсов (“Квант-15”) является очень низкая скорость резки. Так, при энергии импульса 8 Дж скорость резки углепластика и УУКМ толщиной 3,5 мм составила 1 мм-с-1. Увеличение скорости резки излучением импульсно-периодических лазеров возможно только при увеличении частоты следования импульсов. В этом случае можно получать качественные резы при скорости, сопоставимой со скоростью резки непрерывным излу- чением, но при существенно меньшей зоне термического воздействия.

Можно предложить простой практический способ оценки параметров лазерной резки рассматриваемых материалов. Для разрезания углеродного композита сфокусированным лазерным пучком диаметром 0,4-0,5 мм со скоростью 5 мм/с необходимо 150 Вт мощности излучения на каждый мм толщины материала. Для данной толщины материала при увеличении скорости резки необходимо пропорциональное увеличение мощности. Оценки справедливы для материалов толщиной, по крайней мере, до 6 мм. Для лазерного раскроя углекомпозитов предпочтительнее использовать газовые СО2 — лазеры из-за меньшего поглощения излучения с длиной волны 10,6 мкм стенками канала реза. Общей особенностью ЗТВ для всех тканей (как и для углекомпозитов) является наличие пироуглерода на стенках реза, который производит “ заварку” кромок и препятствует их махрению.

Кромки реза ровные. Величина ЗТВ незначительна и не превышает 0,1 -0,2 мм. Высокое качество реза, полученное в проведённых экспериментах, позволяет утверждать, что применение лазерного излучения для раскроя углеродных тканей является наиболее перспективным и эффективным методом раскроя тканей на основе углеродных волокон. Основные результаты экспериментов по раскрою углеродных тканей приведены в табл.1. Термическая обработка УУКМ лазерным излучением Эффективность использования лазерного излучения для термообработки УУКМ, в отличие от раскроя, неочевидна. В процессе лазерной обработки создаются условия воздействия, кардинально отличающиеся от условий традиционной термообработки: — любые температуры на поверхности материала;

Поверхностный характер и локальность лазерного воздействия являются как достоинством, так и недостатком лазерной обработки, так как не позволяют провести обработку всего объёма изделий, имеющих большую толщину и неизбежно вызывают неоднородность структурно-фазового состава обработанного материала по толщине.

Таким образом, в нашем случае лазерная обработка позволяет:

— создать на поверхности изделия слой материала с изменённым по отношению к основной массе структурно-фазовым составом, что может изменить физико-механические и химические свойства всего изделия;

— на промежуточной стадии изготовления изделий изменить пористую структуру материала (увеличить открытую пористость) и тем самым изменить условия последующих циклов обработки материала.

Лазерная обработка УУКМ ведёт к гра-фитации материала в зоне лазерного воздействия и к увеличению стойкости обработанного материала от 1,5 до 10 раз в кислородсодержащих газовых средах при высоких температурах [6-8]. Увеличение стойкости УУКМ в кислородсодержащих средах зависит от типа исходных компонентов, технологии создания материала и обусловлено, в первую очередь, структурно-фазовыми изменениями углеродной матрицы в процессе лазерной термообработки. Глубина зоны лазерного воздействия определяется параметрами обработки и достигает 3 мм [8].

Как показали наши работы, лазерную термообработку можно осуществлять и без создания защитной атмосферы, в воздушной среде.

Полное содержание статьи на https://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-lazernogo-izlucheniya-dlya-modifikatsii-poverhnosti-i-raskroya-uglerodnyh-kompozitsionnyh-materialov-i-uglerodnyh-tkaney/pdf