Лазерный мир

Ксения Андреевна Егорова, Хамза Салех, Андрей Анатольевич Петров, Дмитрий Андреевич Синев // ЖУРНАЛ Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2026, Том 26 № 3

Введение. Термоупрочнение металлов под лазерным воздействием на вспомогательный поглощающий слой происходит за счет формирования и распространения плазменного факела в пространственно-ограниченных условиях. При этом обычно исследования сосредоточены на изучении достигаемых в результате обработки значений твердости postfactum, а особенности плазменного факела в пространственно-ограниченных условиях представляются недостаточно подробно изученными. Можно предположить, что вклад плазменного факела определяет перераспределение лазерной энергии, протекание ударно-волновых процессов и формирование поверхностного слоя с улучшенными функциональными свойствами. Целью работы является определение связи свойств лазерно-индуцированной микроплазмы при термоупрочняющей лазерной обработке титана с параметрами лазерного воздействия и конфигурацией мишеней. Метод. Исследованы закономерности формирования плазменного факела методом оптической эмиссионной спектроскопии при различных параметрах наносекундного лазерного излучения с длиной волны 1064 нм. Интенсивность свечения плазменного факела и эмиссионные спектры регистрировались в диапазоне 380-740 нм с применением оптоволоконного спектрометра «Avantes». В качестве объекта исследования использовались технически чистые титановые пластины марки ВТ1-0, которые были изучены в трех конфигурациях мишеней: исходная титановая пластина; титановая пластина под стеклянной пластиной; титановая пластина, покрытая слоем графитового порошка и стеклянной пластиной. Обработка зарегистрированных эмиссионных спектров плазменного факела включала вычитание фонового сигнала, коррекцию с использованием кривой спектральной чувствительности прибора и кривой спектра пропускания стекла, а также анализ спектральных линий с применением базы данных NIST Atomic Spectra Database. Численные значения твердости модифицированных поверхностей были определены путем проведения измерений твердости по шкале Виккерса с малой нагрузкой. Основные результаты. Получено, что при лазерной обработке с импульсной плотностью мощности выше 4,1-10п Вт/м2 при всех типах конфигурации мишеней в спектре плазменного факела можно идентифицировать линии нейтральными и однократно ионизированными атомами титана, что указывает на превышение порога абляции титана и формирование частично ионизированного парогазового факела. Введение в конфигурацию мишени поглощающего (порошок графита) и ограничивающего (стеклянная пластина) слоев приводит к заметному снижению общей интенсивности свечения плазменного факела при сохранении характерных линий в его спектре, однако при этом величина твердости по Виккерсу поверхностного слоя титана увеличивается с 185 HV до 520 HV. Обсуждение. Показано, что конфигурация мишени существенно влияет на закономерности формирования плазменного факела и твердость поверхностного слоя титана в составе мишени. Выявленные закономерности могут указывать на реализацию смешанного механизма термомеханического (ударного) упрочнения титана, при котором реализуется эффективная конверсия энергии лазерного излучения, поглощенной слоем графита, находящимся под стеклянной пластиной, в нагрев и упрочнение титана, в большей степени чем в нагрев частиц графита, аблируемых в плазменном факеле. Результаты работы могут быть использованы для оптимизации режимов лазерной обработки титана с целью управляемого формирования поверхностей с улучшенными значениями твердости.

Работа выполнена при финансировании НИРСИИ Университета ИТМО (проект № 640114 «Метод синтеза параметров обработки материалов на основе строгих (математических) и нестрогих (машинных) предсказаний»).

Лазерная обработка была выполнена с использованием Yb:волоконной лазерной установки МиниМаркер 2-М20, (ООО «Лазерный центр», Санкт-Петербург, Россия) со средней выходной мощностью 20 Вт, длиной волны 1064 нм. Лазерный пучок фокусируется на поверхность обрабатываемого образца F-theta линзой с полем обработки 100 х 100 мм в пятно 50 мкм по уровню e-2.

Заключение

В работе выполнено комплексное исследование лазерного термоупрочнения титана при наносекундном импульсном воздействии с использованием оптической эмиссионной спектроскопии для анализа плазменного факела. Экспериментальные исследования проведены при частоте следования импульсов 80 кГц и плотностях мощности (3,18-5,73)-10п Вт/м2.

На основании обнаруженного эффекта повышения твердости титана в работе предложено связать снижение общей интенсивности свечения плазменного факела при лазерной обработке титана в пространственно-ограниченных условиях с трансформацией поглощенной лазерной и тепловой энергий в ударную волну, распространяющуюся в титане. Таким образом, перераспределение термализованной энергии лазерного излучения приводит к снижению общей интенсивности свечения плазменного факела, но способствует формированию структурных изменений, определяющих повышение твердости поверхностного слоя титана с 185 HV до 520 НУ Полученные сведения позволяют более полно оценить механизмы и динамику процессов лазерно-индуцированного упрочнения металлов и открывают новые возможности для решения актуальных задач металлообработки и приборостроения.

Полное содержание на https://cyberleninka.ru/article/n/spektralnye-svoystva-lazerno-indutsirovannoy-mikroplazmy-pri-termouprochnyayuschey-obrabotke-titana/pdf