Лазерная обработка - Laser peening

Лазерная обработка (LP), или лазерная ударная обработка (LSP), это поверхностная инженерия процесс, используемый для придания материалам остаточных напряжений. Глубокие сжимающие остаточные напряжения большой величины, вызванные лазерным упрочнением, повышают стойкость материалов к поверхностным повреждениям, таким как усталость, мучительная усталость и коррозионное растрескивание под напряжением. Лазерная ударная обработка также может использоваться для усиления тонких срезов, затвердеть поверхности, придание формы или выпрямление деталей (известное как формование методом лазерной ударной обработки), дробление твердых материалов, компактные порошковые металлы и для других применений, где ударные волны высокого давления и короткой продолжительности обеспечивают желаемые результаты обработки.

История

Открытие и развитие (1960-е)

Первые научные открытия в области современной лазерной резки начались в начале 1960-х годов как импульсная лазер технологии начали распространяться по всему миру. В раннем исследовании лазерного взаимодействия с материалами Гурген Аскарян и Э.М.Мороз, они задокументировали измерения давления на целевой поверхности с помощью импульсного лазера.[1] Наблюдаемое давление было намного больше, чем могло быть создано только силой лазерного луча. Исследования этого явления показали, что высокое давление является результатом импульса импульса, генерируемого испарением материала на поверхности мишени при быстром нагреве лазерным импульсом. На протяжении 1960-х годов ряд исследователей дополнительно определили и смоделировали взаимодействие импульса лазерного луча с материалами и последующую генерацию волн напряжения.[2][3] Эти и другие исследования показали, что волны напряжения в материале генерируются быстро расширяющимся плазма создается, когда импульсный лазерный луч попадает в цель. Впоследствии это вызвало интерес к достижению более высоких давлений для увеличения интенсивности волны напряжения. Для создания более высоких давлений необходимо было увеличить плотность мощности и сфокусировать лазерный луч (сконцентрировать энергию), требуя, чтобы взаимодействие лазерного луча с материалом происходило в вакуумной камере, чтобы избежать пробоя диэлектрика внутри луча в воздухе. Эти ограничения ограничивают изучение взаимодействий импульсного лазера высокой интенсивности с материалом для избранной группы исследователей, использующих импульсные лазеры высокой энергии.

В конце 1960-х годов произошел крупный прорыв, когда Н.К. Андерхольм обнаружил, что гораздо более высокое давление плазмы может быть достигнуто путем удержания расширяющейся плазмы на поверхности мишени.[4] Андерхольм ограничил плазма путем плотного прилегания прозрачного для лазерного луча кварцевого покрытия к поверхности цели. С накладкой лазерный луч проходил через кварц перед взаимодействием с поверхностью мишени. Быстро расширяющаяся плазма теперь удерживалась на границе раздела между кварцевой накладкой и поверхностью мишени. Этот метод удержания плазмы значительно увеличил результирующее давление, генерируя пики давления от 1 до 8 гигапаскалей (от 150 до 1200 ksi), что на порядок больше, чем при измерениях давления неограниченной плазмы. Важность открытия Андерхольма для лазерного упрочнения заключалась в демонстрации того, что импульсные взаимодействия лазера с материалом для развития волн напряжения высокого давления могут осуществляться в воздухе, а не ограничиваться вакуум камера.

Лазерное шокирование как металлургический процесс (1970-е годы)

В начале 1970-х годов были начаты первые исследования воздействия импульсного лазерного излучения на материал мишени. Л. И. Миркин обнаружил двойникование зерен феррита в стали под кратером, созданным лазерным облучением в вакууме.[5] С. А. Метц и Ф. А. Смидт-младший облучали никелевую и ванадиевую фольги на воздухе импульсным лазером с низкой плотностью мощности и наблюдали пустоты и петли вакансий после отжига фольги, предполагая, что высокая концентрация вакансий была создана волной напряжения. Эти вакансии впоследствии агрегировались во время пострадиационного отжига в наблюдаемые пустоты в никеле и дислокационные петли в ванадии.[6]

В 1971 году исследователи из Battelle Memorial Institute в Колумбусе, штат Огайо, начали исследовать, может ли процесс лазерного воздействия улучшить механические свойства металла с использованием импульсного лазера высокой энергии. В 1972 году была опубликована первая документация о благотворном влиянии лазерного шока на металлы, в котором сообщалось об упрочнении алюминиевых образцов на растяжение с использованием кварцевого покрытия для ограничения плазмы.[7] Впоследствии в 1974 году Филиппу Маллоцци и Барри Файранду был выдан первый патент на лазерную ударную обработку.[8] Исследования эффектов и возможных применений лазерного упрочнения продолжались на протяжении 1970-х и начала 1980-х годов Алланом Клауэром, Барри Файрандом и сотрудниками при финансовой поддержке Национальный научный фонд 3, НАСА, Управление армейских исследований, ВВС США, а внутри - Battelle. В этом исследовании более подробно изучены эффекты в материале и продемонстрировано создание глубоких сжимающих напряжений и связанное с этим увеличение усталостной и фреттинг-усталостной долговечности, достигаемое лазерным упрочнением.[9][10][11][12]

Практическая лазерная обработка (1980-е годы)

Лазерный шок на начальных этапах разработки был сильно ограничен лазерными технологиями того времени. Импульсный лазер, используемый Баттелле, занимал одну большую комнату, и между импульсами лазера требовалось несколько минут на восстановление.[13] Чтобы стать жизнеспособным, экономичным и практичным промышленным процессом, лазерная технология должна была превратиться в оборудование с гораздо меньшей занимаемой площадью и иметь возможность увеличивать частоту лазерных импульсов. В начале 1980-х годов компания Wagner Castings, расположенная в Декейтере, штат Иллинойс, заинтересовалась лазерной упрочнением как процессом, который потенциально мог повысить усталостную прочность чугуна, чтобы конкурировать со сталью, но с меньшими затратами. Лазерная упрочнение различных чугунов показало умеренное повышение усталостной долговечности, и эти результаты, наряду с другими, убедили их профинансировать разработку и создание прототипа импульсного лазера в 1986 году, чтобы продемонстрировать промышленную жизнеспособность процесса. Этот лазер был завершен и продемонстрирован в 1987 году. Хотя технология исследовалась и разрабатывалась около 15 лет, мало кто в промышленности слышал о ней. Итак, с завершением демонстрационного лазера инженеры Wagner Castings и Battelle предприняли серьезные маркетинговые усилия по внедрению лазерной упрочнения на потенциальные промышленные рынки.

Также в середине 1980-х Реми Фаббро из Политехнической школы инициировал программу лазерной ударной обработки в Париже. Он и Жан Фурнье из компании Peugeot посетили Баттель в 1986 году, чтобы подробно обсудить с Алланом Клауэром лазерную ударную обработку. Программы, инициированные Fabbro и реализованные в 1990-х и в начале 2000-х Патрисом Пейром, Лораном Бертом и сотрудниками, внесли значительный вклад, как теоретический, так и экспериментальный, в понимание и внедрение лазерного упрочнения.[14][15][16] В 1998 году они измерили с помощью VISAR (Интерферометр скорости на любой отражатель ) нагрузки давления в режиме удержания воды в зависимости от длины волны. Они демонстрируют пагубный эффект разрушения в воде, ограничивающей максимальное давление на поверхности материала.[17]

Создание индустрии (1990-е)

В начале 1990-х годов рынок все больше узнавал о потенциале лазерной упрочнения для увеличения усталостного ресурса. В 1991 году ВВС США представили инженеров Баттеля и Вагнера компании GE Aviation, чтобы обсудить потенциальное применение лазерной упрочнения для решения проблемы повреждения посторонними предметами (FOD) лопастей вентилятора в General Electric F101 двигатель, приводящий в действие Rockwell B-1B Lancer Бомбардировщик. Проведенные испытания показали, что лопасти вентилятора, подвергнутые лазерной обработке, со значительными зазубринами после лазерной обработки имеют такой же усталостный ресурс, как и новые лопасти.[18] После дальнейшего развития GE Aviation получила лицензию на технологию лазерной ударной упрочнения у Battelle, а в 1995 году GE Aviation и ВВС США приняла решение продвигаться вперед с производственным развитием технологии. GE Aviation начала производство лазерной упрочнения лопастей вентилятора F101 в 1998 году.

Спрос на промышленные лазерные системы, необходимые для запуска GE Aviation в производство, побудил нескольких сотрудников компании Battelle по лазерной ударной обработке основать компанию LSP Technologies, Inc. в 1995 году в качестве первого коммерческого поставщика оборудования для лазерной обработки. Под руководством основателя Джеффа Дулани компания LSP Technologies разработала и построила лазерные системы для GE Aviation для выполнения промышленной лазерной упрочнения лопастей вентилятора F101. В конце 1990-х - начале 2000-х годов ВВС США продолжали сотрудничать с LSP Technologies, совершенствуя производственные возможности лазерной ударной упрочнения и внедряя производственные ячейки.[19][20]

В середине 1990-х годов, независимо от разработок в области лазерного упрочнения, продолжающихся в США и Франции, Юджи Сано из корпорации Toshiba в Японии инициировал разработку системы лазерной упрочнения, способной выполнять лазерную упрочнение сварных швов в корпусах атомных электростанций, работающих под давлением, для уменьшения коррозионного растрескивания под напряжением в этих областях.[21] В системе использовался импульсный лазер с низкой энергией, работающий с более высокой частотой импульсов, чем лазеры с более высокой мощностью. Лазерный луч вводился в сосуды высокого давления через шарнирные трубки. Поскольку сосуды под давлением были заполнены водой, процесс не требовал наложения воды на облучаемую поверхность. Однако луч должен был пройти некоторое расстояние через воду, что потребовало использования луча с более короткой длиной волны, 532 нм, чтобы минимизировать диэлектрический пробой луча в воде, вместо луча 1054 нм, используемого в Соединенных Штатах и ​​Франции. Кроме того, было непрактично рассматривать использование непрозрачного покрытия. Этот процесс теперь известен как лазерная обработка без покрытия (LPwC). Его начали применять в японских реакторах с кипящей водой и водой под давлением в 1999 году.[22]

Также в 1990-х годах в Мадридском политехническом университете Хосе Оканья сформировал значительную исследовательскую группу по лазерной обработке. Их работа включает как экспериментальные, так и теоретические исследования с использованием импульсных лазеров низкой энергии как без, так и с непрозрачным покрытием.[23][24]

Фонд поставщиков и рост отрасли (1990-е - 2000-е годы)

Благодаря значительному прорыву в коммерческом применении лазерного упрочнения на F101 Для решения основной производственной проблемы лазерная обработка привлекла внимание всего мира. Исследователи во многих странах и отраслях предприняли исследования, чтобы расширить понимание процесса лазерного ударного упрочнения и влияния свойств материала. В результате появилось большое количество исследовательских работ и патентов в США, Франции и Японии. Помимо работ, проводимых в этих странах и Испании, программы лазерной упрочнения были инициированы в Китае, Великобритании, Германии и некоторых других странах. Продолжающийся рост технологии и ее применений привел к появлению нескольких коммерческих поставщиков лазерной ударной обработки в начале 2000-х годов.

GE Aviation и LSP Technologies были первыми компаниями, производившими лазерную наплавку на коммерческой основе, получив лицензию на технологию у Battelle. GE Aviation выполнила лазерную упрочнение компонентов своих аэрокосмических двигателей, а LSP Technologies предложила услуги и оборудование для лазерной ударной обработки более широкой промышленной базе. В конце 1990-х гг. Компания по благоустройству металлов (MIC сейчас является частью Curtis Wright Surface Technologies) в партнерстве с Ливерморской национальной лабораторией Лоуренса (LLNL) для разработки собственных возможностей лазерной упрочнения. В Японии, Корпорация Toshiba расширила коммерческое применение своей системы LPwC на реакторы с водой под давлением, а в 2002 году внедрила оптоволоконную доставку луча к головке подводной лазерной упрочнения. Компания Toshiba также переработала лазер и систему доставки луча в компактную систему, позволяющую поместить всю систему в сосуд высокого давления. Эта система была готова к коммерческому использованию в 2013 году.[25] Компания MIC разработала и адаптировала лазерную ударную обработку для придания формы крыльям самолета Boeing 747–8.

Рост числа промышленных поставщиков и коммерческих доказательств использования технологии лазерного упрочнения приводит к тому, что многие компании применяют технологию лазерного упрочнения для решения и предотвращения проблем. Некоторые компании, внедрившие лазерную обработку, включают: GE, Rolls-Royce, Сименс, Боинг, Пратт и Уитни, и другие.

В 1990-х годах и по сей день разработки в области лазерной упрочнения были нацелены на снижение затрат и увеличение пропускной способности для выхода на рынки за пределами дорогостоящих компонентов небольшого объема. Высокие затраты на процесс лазерной упрочнения ранее объяснялись сложностью лазерной системы, скоростью обработки, ручным трудом и накладками. Многочисленные постоянные усовершенствования, направленные на решение этих проблем, резко снизили затраты на лазерную упрочнение: системы лазерной упрочнения предназначены для надежных операций; частота импульсов лазерных систем увеличивается; рутинные трудовые операции все больше автоматизируются; применение оверлеев во многих случаях автоматизировано. Снижение эксплуатационных расходов на лазерную упрочнение сделало его ценным инструментом для решения широкого круга задач, связанных с усталостью и связанных с ними задач.[26]

Описание процесса

Лазерная обработка использует динамические механические эффекты ударной волны, создаваемой лазером, для модификации поверхности материала мишени. Не использует тепловые эффекты. По сути, лазерное упрочнение может быть выполнено только с двумя компонентами: прозрачной накладкой и высокоэнергетической импульсной лазерной системой. Прозрачная накладка ограничивает плазму, образованную на поверхности мишени лазерным лучом. Также часто бывает полезно использовать тонкую накладку, непрозрачную для лазерного луча, между водной накладкой и целевой поверхностью. Это непрозрачное покрытие может обеспечить одно или каждое из трех преимуществ: защищает поверхность мишени от потенциально вредных тепловых эффектов лазерного луча, обеспечивает согласованную поверхность для взаимодействия лазерного луча с материалом и, если импеданс наложения меньше, чем у цели поверхности, увеличивают величину ударной волны, попадающей в цель. Однако бывают ситуации, когда непрозрачный оверлей не используется; в процессе Toshiba, LPwC, или где компромисс между сниженной стоимостью и, возможно, несколько сниженным остаточным поверхностным напряжением позволяет производить поверхностное шлифование или хонингование после лазерной упрочнения для удаления тонкого термически обработанного слоя.

Процесс лазерной упрочнения начался с использования высокоэнергетических лазеров на неодимовом стекле, генерирующих энергию импульса до 50 Дж (чаще от 5 до 40 Дж) с длительностью импульса от 8 до 25 нс. Диаметр лазерного пятна на мишени обычно находится в диапазоне от 2 до 7 мм. Последовательность обработки начинается с нанесения непрозрачного покрытия на заготовку или целевую поверхность. Обычно используемые непрозрачные материалы для покрытия - черная или алюминиевая лента, краска или фирменная жидкость RapidCoater. Лента или краска обычно наносится на всю обрабатываемую область, а RapidCoater наносится на каждое лазерное пятно непосредственно перед запуском лазерного импульса. После нанесения непрозрачного покрытия поверх него накладывается прозрачное покрытие. Используемая при обработке продукции прозрачная накладка - вода; он дешев, легко наносится, легко адаптируется к самой сложной геометрии поверхности и легко удаляется. Он наносится на поверхность непосредственно перед запуском лазерного импульса. Кварцевые или стеклянные покрытия создают гораздо более высокое давление, чем вода, но ограничиваются плоскими поверхностями, должны заменяться после каждого выстрела, и с ними будет сложно работать в производственных условиях. Можно использовать прозрачную ленту, но для ее нанесения требуется труд, и ее трудно согласовать со сложными элементами поверхности. Прозрачная накладка позволяет лазерному лучу проходить через него без заметного поглощения энергии лазера или пробоя диэлектрика. При срабатывании лазера луч проходит через прозрачную накладку и попадает на непрозрачную накладку, немедленно испаряя тонкий слой накладываемого материала. Этот пар задерживается на границе раздела между прозрачным и непрозрачным слоями. Непрерывная подача энергии во время лазерного импульса быстро нагревает и ионизирует пар, превращая его в быстро расширяющуюся плазму. Повышающееся давление, создаваемое расширяющейся плазмой на непрозрачной поверхности покрытия, входит в поверхность мишени в виде волны напряжения большой амплитуды или ударной волны. Без прозрачного покрытия неограниченный плазменный факел удаляется от поверхности, и пиковое давление значительно ниже. Если амплитуда ударной волны выше Предел упругости Гюгонио (HEL), т.е. динамический предел текучести мишени, материал пластически деформируется при прохождении ударной волны. Величина пластической деформации уменьшается с удалением от поверхности по мере затухания пикового давления ударной волны, т. Е. Уменьшения, и становится нулевой, когда пиковое давление падает ниже HEL. После прохождения ударной волны остаточная пластическая деформация создает градиент остаточного напряжения сжатия под целевой поверхностью, который достигает максимума на поверхности или непосредственно под ней и уменьшается с глубиной. Изменяя плотность мощности лазера, длительность импульса и количество последовательных выстрелов по площади, можно достичь диапазона величин и глубин поверхностного сжимающего напряжения. Величина поверхностных напряжений сравнима с дробеструйным упрочнением, но глубина намного больше и составляет до 5 мм при использовании нескольких выстрелов на месте. Обычно плотность пятен около 10 пятен / см.2 до 40 точек / см2 применяются. Глубина сжимающего напряжения, достигаемая с помощью наиболее распространенных параметров обработки, составляет от 1 до 2 мм (от 0,039 до 0,079 дюйма). Глубокие сжимающие напряжения возникают из-за того, что максимальное давление ударной волны поддерживается выше HEL на большей глубине, чем при других технологиях упрочнения.

Могут быть случаи, когда экономически выгодно не наносить непрозрачный верхний слой и не подвергать лазерной обработке оголенную поверхность заготовки напрямую. При лазерной очистке металлической поверхности тонкий слой материала в микрометровом диапазоне испаряется. Быстрый рост температуры вызывает плавление поверхности на глубину, зависящую от энергии и длительности импульса, а также от целевой точки плавления. Для алюминиевых сплавов эта глубина номинально составляет 10–20 мкм, но для сталей и других сплавов с более высокой температурой плавления глубина может составлять всего несколько микрометров. Из-за малой длительности импульса глубинный нагрев поверхности ограничен несколькими десятками микрометров из-за быстрого закалочного эффекта холодной подложки. Могут возникнуть некоторые поверхностные пятна на поверхности заготовки, обычно из-за продуктов окисления. Эти вредные последствия обработки оголенной поверхности, как эстетические, так и металлургические, могут быть устранены после лазерной упрочнения легкой шлифовкой или хонингованием. При наличии непрозрачного покрытия температура поверхности мишени повышается менее чем на 50–100 ° C (90–180 ° F) в наносекундном масштабе времени.

Лазерные импульсы обычно применяются последовательно к цели для обработки областей, превышающих размер лазерного пятна. Формы лазерных импульсов можно настроить на круглые, эллиптические, квадратные и другие профили для обеспечения наиболее удобных и эффективных условий обработки. Применяемый размер пятна зависит от ряда факторов, включая HEL материала, характеристики лазерной системы и другие факторы обработки. Область, которая должна подвергаться лазерной обработке, обычно определяется геометрией детали, размером критической области усталости и соображениями о перемещении компенсирующих растягивающих напряжений из этой области.

Недавно разработанный процесс лазерной упрочнения Toshiba LPwC существенно отличается от процесса, описанного выше. Процесс LPwC использует низкую энергию, высокую частоту Nd-YAG лазеры генерируя импульсную энергию ≤ 0,1 Дж и длительность импульса ≤ 10 нс, используя размеры пятна ≤1 мм диаметр. Поскольку процесс первоначально предназначался для работы в больших резервуарах, заполненных водой, частота волны была удвоена, чтобы уменьшить длину волны вдвое до 532 нм. Более короткая длина волны уменьшает поглощение энергии луча при прохождении через воду к цели. Из-за ограничений доступа к целевой поверхности не применяется непрозрачное наложение. Этот фактор в сочетании с малым размером пятна требует большого количества выстрелов для достижения значительного поверхностного сжимающего напряжения и глубины 1 мм. Первые нанесенные слои создают растягивающее поверхностное напряжение из-за поверхностного плавления, хотя под слоем расплава возникает сжимающее напряжение. Однако по мере добавления дополнительных слоев увеличивающееся подповерхностное сжимающее напряжение «просачивается» обратно через расплавленный поверхностный слой, создавая желаемое поверхностное сжимающее напряжение. В зависимости от свойств материала и желаемых сжимающих напряжений обычно около 18 точек / мм.2 до 70 точек / мм2 или большей плотности пятна, примерно в 100 раз превышающей плотность пятна процесса с высокой энергией импульса. Влияние более высокой плотности пятна на время обработки частично компенсируется более высокой частотой импульсов, 60 Гц, низкоэнергетических лазеров. Предполагается, что новые поколения этих лазерных систем будут работать на более высоких частотах. В этом процессе с низким энергопотреблением достигаются величины и глубины остаточного напряжения сжатия, эквивалентные процессу с высоким энергопотреблением, с номинальной глубиной от 1 до 1,5 мм (от 0,039 до 0,059 дюйма). Однако меньший размер пятна не позволяет использовать более глубокие глубины.

Системы качества для лазерной упрочнения

Процесс лазерной упрочнения с использованием компьютерного управления описан в AMS 2546. Как и многие другие технологии улучшения поверхности, прямое измерение результатов процесса на заготовке во время обработки нецелесообразно. Поэтому технологические параметры, такие как энергия и продолжительность импульса, вода и непрозрачные покрытия, тщательно контролируются во время обработки. Также доступны другие системы контроля качества, основанные на измерениях давления, например: электромагнитные акустические преобразователи (EMAT), Система интерферометра скорости для любого отражателя (VISAR) и PVDF, плазменные радиометры. Полоски Almen также используются, но они функционируют как инструмент сравнения и не обеспечивают окончательного измерения интенсивности лазерного упрочнения. Результирующие остаточные напряжения, возникающие в результате процесса лазерной упрочнения, обычно измеряются в промышленности с использованием методов дифракции рентгеновских лучей в целях оптимизации процесса и обеспечения качества.

Системы лазерной упрочнения

Первоначальные лазерные системы, использованные при разработке лазерного упрочнения, были большими исследовательскими лазерами, обеспечивающими импульсы высокой энергии при очень низких частотах импульсов. С середины-конца 1990-х годов лазеры, разработанные специально для лазерной упрочнения, имели стабильно меньшие размеры и более высокую частоту импульсов, что более желательно для производственных условий. Системы лазерной упрочнения включают как стержневые лазерные системы, так и пластинчатые лазерные системы. Стержневые лазерные системы можно условно разделить на три основные группы, учитывая, что между ними существует некоторое перекрытие: (1) лазеры с высокой энергией и низкой частотой повторения, обычно работающие при 10-40 Дж на импульс с длительностью импульса 8-25 нс при номинальной Частота повторения 0,5–1 Гц, номинальный размер пятна от 2 до 8 мм; (2) лазеры средней энергии с промежуточной частотой следования, работающие при 3–10 Дж с длительностью импульса 10–20 нс при частоте повторения 10 Гц, номинальный размер пятна 1–4 мм; (3) низкоэнергетические лазеры с высокой частотой повторения, работающие при ≤ 1 Дж на импульс длительностью ≤10 нс при частоте повторения 60+ Гц, ≤ 1 мм Размер пятна. Плоская лазерная система работает в диапазоне 10–25 Дж на импульс при длительности импульса 8–25 нс при частоте повторения 3–5 Гц, номинальный размер пятна 2–5 мм. Коммерческие системы включают стержневые лазеры, представленные всеми тремя группами, и систему плоских лазеров.

Для каждой системы лазерной упрочнения выходной луч лазера направляется в ячейку для лазерной упрочнения, содержащую обрабатываемые детали или детали. Ячейка для упрочнения содержит систему обработки деталей и обеспечивает безопасную среду, необходимую для эффективной промышленной лазерной обработки. Обрабатываемые детали обычно загружаются в ячейку партиями. Затем детали собираются и размещаются на пути луча роботами или другими индивидуализированными системами обработки деталей. Внутри рабочей ячейки луч направляется на поверхность заготовки через оптическую цепочку зеркал и / или линз. Если используется лента, она наносится до того, как деталь попадет в рабочую ячейку, тогда как водные слои или покрытия RapidCoater наносятся внутри ячейки индивидуально для каждой точки. Заготовка, а иногда и лазерный луч, при необходимости перемещают для каждого выстрела с помощью робота или другой системы обработки деталей. Когда выбранные области на каждой детали были обработаны, партия заменяется в рабочей ячейке другой.

Эффект процесса

Холодная обработка (пластическая деформация), создаваемая ударной волной, в материале заготовки создает остаточные напряжения сжатия и растяжения для поддержания равновесного состояния материала. Эти остаточные напряжения являются сжимающими на поверхности детали и постепенно переходят в низкие растягивающие напряжения ниже и вокруг области, подвергнутой лазерной обработке. Холодная обработка также приводит к упрочнению поверхностного слоя. Было показано, что сжимающие остаточные напряжения и, в меньшей степени, холодная обработка при лазерной упрочнении предотвращают и смягчают многоцикловую усталость (HCF), малоцикловую усталость (LCF), коррозионное растрескивание под напряжением, усталостное истирание и в некоторой степени, носить и коррозия. Он отлично предотвращает повреждение лопаток турбины посторонними предметами.

Пластическая деформация, создаваемая лазерным упрочнением, намного ниже, чем при использовании других технологий ударного упрочнения. В результате остаточная пластическая деформация имеет гораздо большую термическую стабильность, чем микроструктуры, подвергшиеся более сильной холодной деформации. Это позволяет сохранять сжимающие напряжения после лазерной упрочнения при более высоких рабочих температурах во время длительных выдержек, чем в случае других технологий. Среди применений, получающих выгоду от этого, - лопатки вентилятора и компрессора газовой турбины, а также компоненты атомных станций.

За счет улучшения характеристик материала лазерная упрочняющая обработка позволяет создавать более эффективные конструкции, снижающие вес, увеличивающие срок службы компонентов и повышающие производительность. Ожидается, что в будущем лазерная упрочнение будет включена в конструкцию компонентов, критичных к усталости, для увеличения срока службы, уменьшения веса и, возможно, более простой конструкции в производстве.

Другие применения технологий лазерной упрочнения

Первоначально использование лазерных ударных волн на металлах для достижения свойств или функциональных преимуществ называлось лазерной ударной обработкой, более широким и всеобъемлющим термином. Так случилось, что лазерная обработка была первым коммерческим аспектом лазерной ударной обработки. Однако лазерно-индуцированные ударные волны нашли применение в других промышленных приложениях, помимо технологий улучшения поверхности.

Одно приложение - для придания формы или формования металлов. Посредством выборочного воздействия лазерным лучом на области на поверхности металлических листов или пластин или более мелких предметов, таких как аэродинамические поверхности, связанные с ними остаточные напряжения сжатия заставляют материал изгибаться управляемым образом. Таким образом, компоненту может быть придана конкретная форма, или искаженному компоненту можно придать желаемую форму. Таким образом, этот процесс может вернуть изготовленные детали в пределы проектных допусков и сформировать детали с тонким сечением.

Другой вариант - использовать ударную волну для раскол тестирование материалов. Это приложение основано на поведении ударных волн, отражающихся от задней свободной поверхности заготовки в виде волны растяжения. В зависимости от свойств материала и характеристик ударной волны отраженная волна растяжения может быть достаточно сильной, чтобы образовывать микротрещины или пустоты около задней поверхности, или фактически «сдувать» или отслаивать материал с задней поверхности. Такой подход имеет определенную ценность для испытания баллистических материалов.

Использование лазерных ударов для измерения прочности сцепления покрытий на металлах было разработано в течение многих лет во Франции под названием LASAT для тестирования лазерной адгезии.[27] Это приложение также основано на поведении ударных волн, отражающихся от задней свободной поверхности детали в виде волны растяжения. Если задняя поверхность покрыта адгезивным покрытием, волна растяжения может быть адаптирована для разрушения связи при отражении от поверхности. Управляя характеристиками ударной волны, можно измерить прочность сцепления покрытия или, альтернативно, определить ее в сравнительном смысле.[28]

Тщательный подбор формы и интенсивности ударной волны также позволил исследовать связанные композитные конструкции с помощью лазерного шока.[29][30] Технология, получившая название Laser Bond Inspection, инициирует ударную волну, которая отражается от задней стороны связанной конструкции и возвращается в виде волны растяжения. Когда волна растяжения проходит обратно через адгезионную связь, в зависимости от прочности связи и пикового растягивающего напряжения волны напряжения, волна растяжения либо пройдет через соединение, либо разорвет его.Регулируя давление волны растяжения, эта процедура позволяет надежно локально проверить прочность сцепления между склеенными соединениями. Эта технология чаще всего применяется для приклеивания волокнистый композитный материал структур, но также было показано, что они успешны в оценке связей между металлокомпозитным материалом. Также изучаются фундаментальные вопросы для характеристики и количественной оценки эффекта ударной волны, создаваемой лазером внутри этих сложных материалов.[31][32][33]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Аскарьян, Г. А .; Мороз, Э. М. (1963). «Давление на испарение вещества в луче излучения» (PDF). Письма в ЖЭТФ. 16: 1638–1639. Bibcode:1963JETP ... 16.1638A.
  2. ^ Грегг, Дэвид В. (1966). «Передача импульса, произведенная сфокусированными лазерными гигантскими импульсами». Журнал прикладной физики. 37 (7): 2787–2789. Bibcode:1966JAP .... 37.2787G. Дои:10.1063/1.1782123.
  3. ^ Нойман, Ф. (1964). «Эффект переноса импульса и кратера, производимый гигантскими лазерными импульсами». Письма по прикладной физике. 4 (9): 167–169. Bibcode:1964АпФЛ ... 4..167Н. Дои:10.1063/1.1754017.
  4. ^ Андерхольм, Н. (1964). «Эффекты передачи импульса и кратера, производимые гигантскими лазерными импульсами». Appl. Phys. Латыш. 4 (9): 167–169. Bibcode:1964АпФЛ ... 4..167Н. Дои:10.1063/1.1754017.
  5. ^ Миркин Л.И. Пластическая деформация металлов под действием 10-8-секундный лазерный импульс », Советская физика - Доклады, т. 14, с. 11281130, 1970.
  6. ^ Мец, С. А. (1971). «Производство вакансий методом лазерной бомбардировки». Письма по прикладной физике. 19 (6): 207–208. Bibcode:1971АпФЛ..19..207М. Дои:10.1063/1.1653886.
  7. ^ Файран, Б. П. (1972). «Изменения микроструктуры и механических свойств алюминия 7075 под действием лазерного удара». Журнал прикладной физики. 43 (9): 3893–3895. Bibcode:1972JAP .... 43.3893F. Дои:10.1063/1.1661837.
  8. ^ Маллоцци П. Дж. И Файранд Б. П. "Изменение свойств материала", Патент США 3850698 , 26 ноября 1974 г.
  9. ^ Clauer, A.H .; Fairand, B.P .; Уилкокс, Б.А. (1977). «Импульсная лазерная деформация сплава Fe-3 Wt Pct Si». Металлургические операции A. 8 (1): 119. Bibcode:1977MTA ..... 8..119C. Дои:10.1007 / BF02677273.
  10. ^ Fairand, B.P .; Клауэр, А. Х. (1979). «Лазерная генерация волн напряжений большой амплитуды в материалах». Журнал прикладной физики. 50 (3): 1497. Bibcode:1979JAP .... 50.1497F. Дои:10.1063/1.326137.
  11. ^ Clauer, A.H .; Walters, C.T .; Форд, С. К. (1983). «Влияние лазерной ударной обработки на усталостные свойства алюминия 2024-T3» (PDF). Лазеры в обработке материалов. ASM International, Металл Парк, Огайо.
  12. ^ Clauer, A.H .; Холбрук, Дж. Х. и Файранд, Б. П. «Воздействие лазерно-индуцированных ударных волн на металлы», в книге «Ударные волны и явления с высокой скоростью деформации в металлах», М. А. Мейерс и Л. Э. Мурр, ред., Стр. 675–702. 1981
  13. ^ Клауэр, А. Х. "Историческая перспектива лазерной ударной обработки". Новости отделки металлов. 10.
  14. ^ Fabbro, R .; Fournier, J .; Ballard, P .; Devaux, D .; Вирмонт, Дж. (1990). «Физическое исследование лазерной плазмы в ограниченной геометрии». Журнал прикладной физики. 68 (2): 775. Bibcode:1990JAP .... 68..775F. Дои:10.1063/1.346783.
  15. ^ Peyre, P .; Fabbro, R .; Merrien, P .; Lieurade, H.P. (1996). «Лазерная ударная обработка алюминиевых сплавов. Приложение к поведению при многоцикловой усталости». Материаловедение и инженерия: A. 210 (1–2): 102–113. Дои:10.1016/0921-5093(95)10084-9.
  16. ^ Peyre, P .; Berthe, L .; Scherpereel, X .; Fabbro, R .; Бартницки, Э. (1998). «Экспериментальное исследование лазерных ударных волн в нержавеющих сталях». Журнал прикладной физики. 84 (11): 5985. Bibcode:1998JAP .... 84.5985P. Дои:10.1063/1.368894.
  17. ^ Берт, Л., Фаббро, Р., Пейр, П., и Бартницки, Э. (1999). «Зависимость от длины волны генерации лазерной ударной волны в режиме удержания воды». Журнал прикладной физики. 85 (11): 7552–7555. Bibcode:1999JAP .... 85.7552B. Дои:10.1063/1.370553.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  18. ^ Thompson, S.D .; См. D. E .; Лайкинс, К. Д. и Сэмпсон, П. Г. в Поверхностные характеристики титана, Дж. К. Грегори, Х. Дж. Рэк и Д. Эйлон (редакторы), Общество минералов, металлов и материалов, стр. 239–251, 1997
  19. ^ Научно-исследовательская лаборатория ВВС, «Лазерная ударная обработка - правильная технология в нужное время». "DoD Manufacturing Technology Program", дата обращения 16 октября 2006 г.
  20. ^ Научно-исследовательская лаборатория ВВС (2001). «Увеличение срока службы профилей газотурбинных двигателей» (PDF). История успеха AF SBIR / STTR. Архивировано из оригинал (PDF) на 2012-09-06. Получено 2006-10-16.
  21. ^ Sano, Y .; Mukai, N .; Судо А. и Конагай К. «Подводная лазерная обработка для уменьшения остаточного напряжения на поверхности металла», Proc. 6-го Междунар. Symp. Японское общество сварщиков, 1996 г.
  22. ^ Sano, Y .; Kimura, M .; Sato, K .; Обата, М. и др., Proc. 8-й Int. Конф. по ядерной инженерии (ICONE-8), Балтимор, 2000.
  23. ^ Ocaña, Jose L .; Molpeceres, C .; Morales, M .; Гарсия-Бельтран, А. (2000). «Модель для совместной прогнозной оценки расширения плазмы и сжатия материала в приложениях лазерной ударной обработки». Труды SPIE. Лазерная абляция высокой мощности II. 3885: 252. Дои:10.1117/12.376970.
  24. ^ Ocaña, J.L .; Molpeceres, C .; Porro, J.A .; Gómez, G .; Моралес, М. (2004). «Экспериментальное определение влияния параметров облучения на деформацию поверхности и остаточные напряжения в металлических сплавах, подвергнутых лазерной ударной обработке». Прикладная наука о поверхности. 238 (1–4): 501. Bibcode:2004ApSS..238..501O. Дои:10.1016 / j.apsusc.2004.05.246.
  25. ^ Сано, Ю. «Прогресс в технологии лазерной упрочнения для применения в инфраструктуре и энергетических системах», 4-е международное издание. Конф. по лазерной обработке, Мадрид, Испания, 2013 г.
  26. ^ «Лазерная обработка». LSP Technologies. 2004. Получено 2013-10-22.
  27. ^ Berthe, L .; Arrigoni, M .; Boustie, M .; Cuq-Lelandais, J.P .; Broussillou, C .; Fabre, G .; Jeandin, M .; Guipont, V .; Нивард, М. (2011). «Современный лазерный тест на адгезию (LASAT)». Неразрушающий контроль и оценка. 26 (3–4): 303. Дои:10.1080/10589759.2011.573550. HDL:10985/19136.
  28. ^ Болис, К., Берт, Л., Басти, М., Арригони, М., Баррадас, С., и Джиндин, М. (2007). «Физический подход к испытанию адгезии с использованием лазерных ударных волн». Журнал физики D: Прикладная физика. 40 (10): 3155–3163. Bibcode:2007JPhD ... 40.3155B. Дои:10.1088/0022-3727/40/10/019.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  29. ^ Эко Р., Бусти М., Берта Л., Тушар Ф., Шочински-Арно Л., Вуаум Х. и Кампань Б. (2014). «Разработка испытания адгезии лазерной ударной волной на связанном композите углепластика». Международный журнал структурной целостности. 5 (4): 253–261. Дои:10.1108 / IJSI-10-2013-0032.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  30. ^ Эрхарт, Б., Эко, Р., Тушар, Ф., Бусти, М., Берта, Л., Бокенхаймер, К., и Валеске, Б. (2014). «Разработка теста на адгезию при лазерном ударе для оценки структур из углепластика со слабой адгезией» (PDF). Международный журнал адгезии и адгезивов. 52: 57–65. Дои:10.1016 / j.ijadhadh.2014.04.002. HDL:10985/8417.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  31. ^ Гей, Элиза; Берта, Лоран; Басти, Мишель; Арригони, Мишель; Buzaud, Эрик (2014). «Влияние продолжительности удара на отклик композитных ламинатов из углепластика» (PDF). Журнал физики D: Прикладная физика. 47 (45): 455303. Bibcode:2014JPhD ... 47S5303G. Дои:10.1088/0022-3727/47/45/455303.
  32. ^ Гей, Элиза; Берта, Лоран; Басти, Мишель; Арригони, Мишель; Тромбини, Марион (2014). «Изучение реакции композитных ламинатов из углепластика на лазерный удар». Композиты Часть B: Инженерия. 64: 108–115. Дои:10.1016 / j.compositesb.2014.04.004. HDL:10985/8402.
  33. ^ Ecault, Ромен; Басти, Мишель; Тушар, Фабьен; Понс, Фредерик; Берта, Лоран; Шочински-Арно, Лоуренс; Эрхарт, Бастьен; Бокенхаймер, Клеменс (2013). «Исследование повреждений композитных материалов, вызванных лазерными ударными волнами» (PDF). Композиты Часть A: Прикладная наука и производство. 53: 54–64. Дои:10.1016 / j.compositesa.2013.05.015.

внешние ссылки