Лазерный мир

Руденко М. С., Гирн А. В., Михеев А. Е., Тайгин В. Б. // ЖУРНАЛ Сибирский аэрокосмический журнал. 2023

Титановые сплавы являются трудносклеиваемыми материалами, по причине того, что на их поверхности всегда присутствует тонкая оксидная пленка, препятствующая образованию межатомных и межмолекулярных связей между клеем и подложкой. В силовых конструкциях космических аппаратов (КА) часто используют клеевое соединение титанового сплава с композиционным материалом. Но прочность таких узлов относительно мала по сравнению с механическим соединением. Цель данной работы заключается в увеличении прочности клеевого соединения за счет лазерной обработки рабочей поверхности титанового сплава под склейку. Текстурирование поверхности титанового сплава ОТ-4 проводилось на иттербиевом импульсном волоконном лазере на 4 режимах обработки. Обработанная поверхность склеивалась с углепластиком КМУ-4 по площади 300 мм2 трехкомпонентным клеем ВК-9. Испытание на прочность клеевого соединения проводилось на разрывной машине Eurotest T-50 и показало, что прочность образцов с лазерной обработкой увеличилась более чем на 80 % относительно среднего значения механического шлифования. Наибольшее значение прочности на сдвиг показали образцы с лазерной обработкой № 1 и 3. Это связано с увеличением площади склеивания поверхности, а также механическим запиранием клея в микрорельефе структуры. Увеличение прочности на сдвиг, вызванное лазерной обработкой поверхности, представляет собой смешанный эффект увеличения площади поверхности, механического запирания клея и изменения химического состава поверхности. Химический состав структуры поверхности под воздействием лазерного сканирования постепенно трансформируется из Ti и Ti2O3 в кристаллический TiO2. Характер разрушения клеевого соединения у образцов с лазерной обработкой преимущественно когезионный, но также наблюдались образцы с разрушением материала углепластика, т. е. сдвиговые напряжения в композиционном материале превосходили адгезионную прочность. Влияние предварительной обработки композиционного материала на прочность клеевого соединения в этой работе не рассматривалось.

Увеличить адгезионную прочность титановых сплавов можно с помощью предварительной обработки перед склеиванием. Методы обработки титана для увеличения адгезионной прочности при склеиванье рассмотрены в работах [4; 5]. Лазерная обработка является перспективным методом увеличения адгезионной прочности титанового сплава [6]. Данный метод обладает высокой производительностью и стабильностью свойств обработанной поверхности, а также, в отличие от химических методов обработки поверхности, экологической чистотой процесса. В работах [7-11] рассмотрены механизмы лазерной обработки на металлах (А1, Т^ лазерами различных типов.

Ранее были проведены исследования [12; 13], где определялось влияние метода обработки поверхности титанового сплава на прочность клеевого соединения пары «титан — титан». Было выявлено, что лазерная абляция поверхности положительно влияет на адгезионную прочность поверхности титанового сплава.
лазерная обработка поверхности титанового сплава благоприятно влияет на прочность клеевого соединения пары «титан — углепластик». Если сравнивать результаты, то лазерная обработка увеличила прочность более чем на 160 % по сравнению с необработанной поверхностью. Так как на производстве перед склеиваньем металла и композиционного материала металл механически обрабатывается для увеличения площади сцепления, будет правильней сравнивать прочность образцов с лазерной обработкой со значением образцов с ручным шлифованием. Следовательно, прочность образцов с лазерной обработкой увеличилась более чем на 80 % относительно среднего значения механического шлифования.

Наибольшее значение прочности на сдвиг показали образцы с лазерной обработкой № 1 и 3. Это связано с наибольшим увеличением площади склеивания поверхности, а также механического запирания клея в микрорельефе структуры. Режим № 13, имея незначительное увеличение площади поверхности, что видно из шероховатости поверхности, показал значительный прирост прочности клеевого соединения. Это значит, что улучшение прочности на сдвиг, вызванное лазерной обработкой поверхности, представляет собой смешанный эффект увеличения площади поверхности, механического запирания клея и изменения химического состава поверхности. Химический состав структуры поверхности под воздействием лазерного сканирования постепенно трансформируется из Ti и Ti2O3 в кристаллический TiO2. Лазерная обработка способствует превращению металлических элементов и оксидов с низкой валентностью в оксид с высокой валентностью [14; 15], что способствует связи клея и поверхности.

Характер разрушения клеевого соединения у образцов с лазерной обработкой преимущественно когезионный, но также наблюдались образцы с разрушением материала углепластика, т. е. сдвиговые напряжения в композиционном материале превосходили адгезионную прочность

Полное содержание на https://cyberleninka.ru/article/n/lazernaya-obrabotka-titanovyh-splavov-dlya-uvelicheniya-prochnosti-kleevogo-soedineniya-s-ugleplastikom/pdf