Лазерный наклеп: Фотоника – научно-технический журнал – Фотоника

alexxlab | 25.09.1991 | 0 | Разное

Содержание

Метод сухого лазерного наклепа использует фемтосекундные лазерные импульсы

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 ([email protected]) 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

Поделиться ссылкой:

  • Нажмите, чтобы поделиться на Twitter (Открывается в новом окне)
  • Нажмите здесь, чтобы поделиться контентом на Facebook. (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться в Google+ (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться на LinkedIn (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться в Telegram (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться записями на Pocket (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться в Skype (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться записями на Tumblr (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться в WhatsApp (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться записями на Pinterest (Открывается в новом окне)
  • Нажмите, чтобы поделиться на Reddit (Открывается в новом окне)

Похожие записи

Лазерное упрочнение металлов Состояние и перспективы

Прогресс в частоте повторения и энергии импульса мощных твердотельных лазеров позволяет рассматривать возможность их использования и для упрочнения металлов. Первые эксперименты по упрочнению металлов методом лазерного наклепа имели место больше чем 30 лет назад. Однако, только сегодня – с появлением высокомощных моноимпульсных лазеров с высокой частотой повторения – этот метод начинает конкурировать с методами наклепа стальными шариками. Лазерный наклеп уже используется в автомобильных, медицинских и авиационных отраслях промышленности.

Одно из первых применений наклепа лазера было в авиационной промышленности для упрочнения турбинных лопаток. Наклеп применяется также в других отраслях, например для упрочнения протезных коленных и бедренных имплантантов в медицине. В автомобильной промышленности лазерный наклеп применяется для обработки коробки передач и шасси, что позволяет производить более легкие корпуса с очевидными сокращениями потребления топлива и т.д.

Лазерный наклеп использует импульсы с высокой интенсивностью
~1091010 Вт/см2, чтобы создать мощную ударную волну в материале. Обрабатываемая область, рис. 1, покрыта двумя различными слоями: поглощающим лазерный свет и прозрачным (обычно вода).

Лазерная энергия, поглощаемая поверхностным слоем, быстро испаряет его, но слой воды предотвращает расширение пара, направленное наружу. Это вызывает ударную волну, которая, проходя через материал, производит пиковые давления в несколько ГПа
(~10 кбар). Пластическая деформация, вызванная ударной волной, создает сжимающие остаточные напряжения, которые могут простираться больше чем на 1 мм по глубине, делая материал более стойким к усталости и коррозии. Практически глубина 1 мм может быть расценена как максимум достижимой глубины сжимающего напряжения при лазерном наклепе, при типичной глубине 0.25 мм для обработки деталей методом холодной ковки.

Лазерная система, подходящая для наклепа на индустриальном уровне (скорость обработки свыше 1 м2/час), требует при энергии импульса >100 Дж и длительности 10–30 нс средней мощности в диапазоне от сотен ватт до киловатта. В Лоуренсовской национальной лаборатории, США, в 1999 г. был разработан первый полупромышленный 100 Дж лазер на неодимовом стекле для упрочнения наклепом (рис. 2).

Чрезвычайно сложный, с использованием обращения волнового фронта и крупногабаритной анаморфотной асферической оптики (активный элемент 1х14×40 cм3), лазер позволяет производить обработку деталей пятнами размером ~1 см2 с частотой до 2 Гц, обеспечивая производительность свыше 3000 cм2/час, при смене ламп накачки через 104 вспышек. Стоимость такого лазера составила несколько миллионов USD.

Вскоре в ряде стран, а также и в нашем институте, были созданы лазеры для наклепа на неодимовом стекле с энергией ~50 Дж, достаточно малогабаритные (активный элемент ~ 2 см, обработка деталей пятнами ~0,5 см2) и относительно дешевые (рис. 3).

Результаты лазерного упрочнения жаропрочных сплавов большими пятнами (Ж 5–6 мм) представлены на рис. 4.

На рис. 4 A представлено распределение твердости полированной поверхности металлографических образцов из AlLi сплава 1420, которые были обработаны пучком Ж 6 мм с энергией 30 Дж. После наклепа твердость поверхности увеличилась с HV125 до HV155 на глубину до 1 мм при размере упрочненной зоны равном размеру пятна облучения (рис. 4 B).

Поскольку предел прочности на разрыв титановых сплавов много выше алюминиевых, упрочнение титановых сплавов требует более интенсивного облучения. На рис. 4 С представлено распределение твердости образцов из Тi сплава ТС6, которые были обработаны пучком Ж5 мм с энергией до 50 Дж. После наклепа твердость поверхности увеличилась с HV325 до HV385. После лазерного наклепа не наблюдалось искажений формы или трещин в зоне обработки. Средняя величина остаточных напряжений в титановых сплавах ~300 MПa, в алюминиевых ~200 MПa.

Для того чтобы поднять производительность процесса лазерного упрочнения (увеличить частоту следования импульсов), были предприняты попытки заменить лазеры на неодимовом стекле на Nd:YAG лазеры. Однако, на порядок меньшая лучевая прочность кристаллов Nd:YAG при ограниченной апертуре активных элементов не позволяют сегодня надеяться на достижение высокой средней мощности при большой энергии луча (таблица 1).

Также вряд ли может помочь лазерному упрочнению Nd:YAG керамика, которую можно изготовлять в достаточно больших размерах. Высокое сечение вынужденного перехода ограничивает предельные габариты активного элемента изза вероятности возбуждения ASE и, соответственно, энергию излучения.

Однако процесс упрочнения металла идет эффективно не только при облучении пучками больших размеров с энергией ~ 45Дж, но и при облучении малыми пятнами Ж1,5 мм с энергией
3 Дж (восемь перекрывающихся пучков) (рис. 4 D). Средняя твердость в зоне наклепа выше HV360, максимальная твердость достигала HV400. Несколько менее однородное распределение твердости по сечению зоны облучения по сравнению с облучением большим пучком говорит о необходимости более точного выставления пучков.

Таким образом, для наклепа можно использовать лазер с большой частотой повторения импульсов, хотя и с относительно небольшой энергией, для облучения малыми пятнами (?23 мм) с энергией 510 Дж и с перекрытием пучков. Перспективным лазером для наклепа может стать разработанный в ИЛФ мощный Nd:YAG лазер
с ламповой накачкой (рис. 5), с энергией излучения 12 Дж при длительности импульса 10 нс, работающий на частоте 100 Гц с эффективностью 2,4% (А.Ф.Корнев, Семинар HiPER, г. Нижний Новгород, ноябрь, 2009 г.). Этот лазер может быть положен в основу создания промышленной установки лазерного наклепа.

Профессор В.А. Серебряков
Институт лазерной физики
ФГУП «НПК «ГОИ им. С.И. Вавилова»
199034 С.Петербург Биржевая линия 12
Тел. (812) 3285734
факс (812) 3285891
Email: [email protected]

Лазерный наклёп разрабатывают для самолетов Airbus

Один из крупнейших в мире авиастроителей, гигант с почти полувековой историей, европейская компания Airbus как и все современные промышленные предприятия включилась в погоню за технологическими лазерными новинками для повышения конкурентоспособности выпускаемой техники. Практически под Новый год стало известно, что компания заключила долгосрочный контракт на поставку систем для лазерного упрочнения. Что это за технология и для чего понадобилась авиационному холдингу – рассмотрим в статье. Стало известно, что контракт заключен с американской компанией LSP Technologies Inc., которая, в основном, занимается разработкой инновационных инструментов и оборудования для создания и обработки деталей самолетов. Тесное сотрудничество компаний вылилось в многолетний контракт, по условиям которого компания LSP в ближайшее время осуществит доставку компактной портативной системы для лазерного ударного упрочнения. Сам комплекс будет включать в себя непосредственно лазерное устройство, а также некие средства автоматизации, которые будут использоваться компанией Airbus. Сущность технологии лазерного ударного упрочнения заключается в том, что металл подвергается воздействию серии коротких и быстрых импульсов. В результате возникающие в процессе облучения волны напряжения оказывают влияние на профиль напряжения самого металла. В итоге меняются его свойства: благодаря подобному воздействию лазера предотвращается появление трещин, иных повреждений, спровоцированных усталостью металла, а также повышаются антикоррозийные свойства. Срок службы металла, подвергшегося лазерной обработке, может увеличиться в десятки раз. Такая технология постепенно проникает практически во все сферы машино- и приборостроения: автомобилестроение, авиастроение, а также электроэнергетика. К слову, еще совсем недавно для того, чтобы осуществить подобную технологию лазерного ударного упрочнения или лазерного наклепа (laser peening) требовалось защитное покрытие для обрабатываемой поверхности. Если Вы посмотрите видео, которое наглядно показывает принцип работы системы лазерного термоупрочнения, вы увидите, что в качестве защитного покрытия компания LSP Technologies Inc. использует обычную воду, чтобы предотвратить плавление и повреждение поверхности. Однако методику уже удалось усовершенствовать японским ученым и использовать “сухой” лазерный наклеп, т.е. без применения каких-либо веществ. Фото: Авиастроительный холдинг Airbus будет использовать лазерные технологии для повышения прочности металла (Источник: yandex.ru) Источник: https://zen.yandex.ru/media/laser33/lazernye-tehnologii-dlia-samoletov-airbus-5c358c1f871d9300abf8d4e7?from=feed 09/01/2019

Рис. 1 Основной механизм реализации лазерного наклепа

Российская Академия Наук. Авторы: Волошин В.В., Воробьев И.Л., Иванов Г.А., Исаев В.А., Колосовский А.О., Ленардич Б. 1, Попов С.М.*, Чаморовский Ю.К.

Российская Академия Наук ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА С ПОКРЫТИЕМ ИЗ МЕДИ Авторы: Волошин В.В., Воробьев И.Л., Иванов Г.А., Исаев В.А., Колосовский А.О., Ленардич Б. 1, Попов С.М.*, Чаморовский

Подробнее

Виды и параметры процесса лазерной резки

Виды и параметры процесса лазерной резки Закалюкина Л.А., Баннов В.Я., ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» [email protected] Аннотация Лазерная резка это процесс термического разделения материала.

Подробнее

ЛАЗЕРНЫЕ И БИОМЕДИЦИНСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

3 ЛАЗЕРНЫЕ И БИОМЕДИЦИНСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ УДК 621.375.826 ПЕРСПЕКТИВЫ ИНДУСТРИАЛЬНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ ЛАЗЕРНОЙ ОЧИСТКИ МАТЕРИАЛОВ В.П. Вейко, А.А. Кишалов, Т.Ю. Мутин, В.Н. Смирнов Изложены основные механизмы лазерной

Подробнее

Ю.П. Войнов, В.С. Горелик, В.Д. Зворыкин, И.Г. Лебо, А.О. Левченко, Н.Н. Устиновский.

Препринт Ю.П. Войнов, В.С. Горелик, В.Д. Зворыкин, И.Г. Лебо, А.О. Левченко, Н.Н. Устиновский. ЛАЗЕРНАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ НАНОЧАСТИЦ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ КТIPO 4 В ПОРЫ ИСКУССТВЕННОГО ОПАЛА, ПОМЕЩЕННОГО В ВОДУ

Подробнее

УДК :

Защита от лазерного излучения и расчет класса опасности лазерного модуля оптикоэлектронного анализатора размеров микрочастиц Метлов П. О. 1, Гордиевская А. В. 2, Титов А. А. 3 1 Метлов Павел Олегович /

Подробнее

Твердотельные лазеры

0507930 ЦЕНТР ФИЗИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН Твердотельные лазеры высокоэффективный инструмент для работы с металлом, пластиком, керамикой резка, сверление, сварка,

Подробнее

Ослабление сигнала в волоконных световодах

Лабораторная работа 4 Ослабление сигнала в волоконных световодах Цель работы определение зависимости оптических потерь от длины волоконного световода. Уменьшение потерь мощности оптического сигнала, передаваемого

Подробнее

Lumenis M22 Модуль для IPL-терапии

Lumenis M22 Модуль для IPL-терапии Обучающая презентация Версия 2.0 17.07.2017 Ознакомительная презентация Это ознакомительная презентация Полную версию обучающей презентации вы можете получить, пройдя

Подробнее

УДК 538.911 А.Г. Григорьянц, А.И. Мисюров, А.Е. Шупенев ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СУБМИКРОННЫХ ПЛЕНОК ТЕЛЛУРИДА ВИСМУТА МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОСАЖДЕНИЯ Использование наноразмерных термоэлектрических

Подробнее

Виды электронной эмиссии

Виды электронной эмиссии Физические процессы, протекающие в вакуумных электронных приборах и устройствах: эмиссия электронов из накаливаемых, холодных и плазменных катодов; формирование (фокусировка) и

Подробнее

ФОНД ОЦЕНОЧНЫХ СРЕДСТВ

ФОНД ОЦЕНОЧНЫХ СРЕДСТВ по дисциплине Лазерные измерения Направление подготовки бакалавров «Лазерная техника и лазерные технологии» 1. Перечень компетенций с указанием этапов (уровней) их формирования.

Подробнее

АВТОРЕФЕРАТ МАГИСТЕРСКОЙ РАБОТЫ

Министерство образования и науки Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САРАТОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Подробнее

Рис.1. Электромагнитная волна

Тема 3.5. Защита от электромагнитных полей Влияние электромагнитных полей (ЭМП) на человека один из наименее изученных негативных факторов. Вместе с тем, актуальность данной проблемы растет, поскольку

Подробнее

MARLOTHERM. Информация о товаре

Описание товара Охват в одном циркуляционном контуре широкого диапазона температур от – 90 до 300 C одним теплоносителем представляет собой серьезную трудность. Для решения этой проблемы различные физические

Подробнее

10 (38), 2010 г.

УДК 53.043 ИМПУЛЬСНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ЦЕЛЬЮ ЗАЛЕЧИВАНИЯ ДЕФЕКТОВ Ю.В. Баранов, Г.Ж. Сахвадзе, В.В. Столяров Институт машиноведения РАН, Россия, Москва Аннотация. Работа

Подробнее

УДК А. В. Михеенко, И. В. Силютин, 2015

ФИЗИКА И МАТЕМАТИКА ВЕСТНИК ТОГУ. 2015. 3 (38) УДК 534. 6 А. В. Михеенко, И. В. Силютин, 2015 ГЕНЕРАЦИЯ ЗВУКА В ВОДЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И НЕПРЕРЫВНЫМ

Подробнее

Электрические печи сопротивления

Электрические печи сопротивления Установки инфракрасного нагрева 16.12.2012 НГТУ, АЭТУ, Шишкин А.В. 1 1. Введение Инфракрасный (ИК) нагрев электронагрев ИК-излучением при условии, что излучательные спектральные

Подробнее

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЙ

Рисунок 3 Зависимость удельного расхода электроэнергии турбокомпрессора К500-61-5 от температуры воздуха после промежуточных воздухоохладителей Таким образом, повышение температуры воздуха после промежуточных

Подробнее

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ НА ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ЗАЩИТНЫЕ СТЕКЛА ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ГОРЯЧЕЙ МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМОЙ Н.Е. Маслякова 1, Л.С. Гаценко 1, Л.С. Новиков

Подробнее

Лазерное поверхностное упрочнение | Статья в журнале «Молодой ученый»

Библиографическое описание:

Яшкова, С. С. Лазерное поверхностное упрочнение / С. С. Яшкова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2017. — № 1 (135). — С. 99-101. — URL: https://moluch.ru/archive/135/37955/ (дата обращения: 05.03.2022).



В настоящее время невозможно представить изготовление деталей без финишной упрочняющей обработки. С её помощью можно повысить прочностные характеристики любого металла. В зависимости от состава и назначения заготовки, её можно подвергать разным видам упрочняющей обработки таким, как: отжиг, закалка, старение и химико-термическая обработка, а также поверхностное упрочнение лазером. В нашей статье речь пойдет о лазерном наклёпе поверхности титановых сплавов.

Изделия из титана чаще всего применяются в авиа и ракетостроении. Например, наиболее трудоемким является производство моноколес, представляющих собой диск с лопастями для забора воздуха, а так же изготовления отдельных лопаток. Всем известно, что остаточные напряжения после проточки лопастей, могут согнуть лопатки, приведя изделие в негодность. А так как титан металл не из дешевых, то такой брак, нанесет серьёзный ущерб предприятию. Для снятия остаточных напряжений применяется термическая обработка готовых изделий и лазерный наклёп для увеличения прочности поверхности.

Для снятия напряжений чаще всего изделия из титана подвергают отжигу. Широко применяется вакуумный отжиг, который позволяет уменьшить содержание водорода в титановых сплавах, что приводит к уменьшению склонности к замедленному разрушению и коррозийному растрескиванию. Для снятия небольших внутренних напряжений применяют неполный отжиг при 550–650 град. Титановые сплавы имеют низкое сопротивление износу и при использовании в узлах трения обязательно подвергаются либо химико-термической обработке, либо лазерному наклёпу (Рис. 1).

Рис. 1. Лазерный наклёп

В самом традиционном случае наклёп получается в процессе холодной ковки, когда массивным бойком методично наносят удары по упрочняемой поверхности металла, местами деформируя её. Этот способ упрочнения металла известен несколько сот лет. Продолжением этой технологии, когда обрабатывать стало возможно детали сложной формы, является «бомбардировка» металлической поверхности металлическими шариками. При такой обработке специальной дробью, с высокой интенсивностью подачи, поверхность приобретает необходимые механические характеристики и даже становится значительно меньше восприимчивой к коррозии. Это надёжные установки, которые применяются уже не одно десятилетие, производительности их достаточно для осуществления упрочнения в промышленных масштабах.

Однако существует и более прогрессивная технология упрочнения поверхности по схожему методу — использование в качестве источника бомбардирования мощный твердотельный лазер. Эта технология отчасти похожа на плазменное напыление, но только отчасти.

Излучение от такого лазера обладает выдающимися показателями по энергии импульса и частоты «бомбардировки». Самые первые эксперименты по упрочению металлической поверхности лазером были проведены около 30 лет назад. Но с методом упрочнения при помощи стальных шариков, лазеры смогли конкурировать недавно, когда стали доступны действительно мощные лазерные источники энергии.

В промышленности лазер для упрочнения поверхности впервые стали использовать при изготовлении турбинных лопаток для авиационной техники. Это тонкостенные детали сложной формы, поэтому более «деликатное» лазерное упрочнение для них стало предпочтительнее, чем стандартное упрочнение шариками. В настоящее время лазерное упрочнение уже используется не только в авиационной, но и передовой автомобильной (для обработки деталей шасси, коробки передач) и медицинской отраслях (упрочнение коленных и бедренных имплантатов).

При лазерном упрочнении используются импульсы с высокой интенсивностью — до 10*10 Вт/см², это позволяет создать мощную ударную волну, направленную на упрочняемый материал. В деталях этот процесс выглядит следующим образом: на упрочняемую поверхность перед обработкой наносят два слоя, один из которых поглощает лазерное излучение — это нижний слой прилегающий к металлу, а второй слой прозрачный, он находится на поверхности. В качестве поглощающего слоя используют специальную краску, а качестве прозрачно слоя сверху, обычно используют воду. Направленный на эти слои луч лазера беспрепятственно проходит через воду и начинает интенсивно испарять второй, нижний слой краски. Однако в это время слой воды начинает препятствовать резкому образования газа от испаряющегося нижнего слоя. Соответственно, энергия от образующегося газа взаимодействует в сторону, обратную от слоя воды, т. е. в сторону металла, упрочняя его таким образом. Т. к. весь вышеописанный процесс проходит крайне быстро, то упрочняющий эффект весьма ощутим, а глубина упрочнения, может достигать 1 мм (при упрочнении металлическими шариками предельной считалась глубина в 0,4 мм) (Рис. 2).

Рис. 2. Шероховатость поверхности после обработки

В результате многих опытов и изысканий по данной теме, наметилась тенденция, что один «суперпучок» с энергией в 50 Дж и более, который обработает за один раз 0,5 см², целесообразнее заменить несколькими пучками, покрывающими всего 1,5мм², но работающими намного интенсивнее. Такой путь позволяет многократно удешевить конструкцию, сделать её более производительной в условиях действующих производства. Если выйдет из строя один большой лазер, установка станет неработоспособной, а поломка маленького лазера в системе из десятков таких же, не особо отразится на работоспособности системы (Рис. 3).

Рис. 3. Обработка 4-мя пучками лазера

Преимущества лазерного упрочнения заключаются в уменьшении объема дополнительной обработки и возможность обработки неоднородных трехмерных заготовок. Благодаря незначительному тепловому воздействию деформация остается на ограниченном уровне, издержки на дополнительную обработку уменьшаются или не возникают вовсе [2].

Выводы.

Очевидно, что лазерное упрочнение поверхности заметно улучшает прочностные характеристики титановых сплавов. В данной статье проведен обзор метода. В следующих статьях планируется провести ряд исследований поверхностного слоя различных марок титана, а так же при различных параметрах. Исследование прочностных характеристик для каждого из режимов, подобранных экспериментальным путем. Планируется провести исследования методами проффилометрии, РФА исследования, а так же исследования методами растровой электронной микроскопии.

Литература:

  1. Gao P. F., Fan X. G. & Yang, H. (2017). Role of processing parameters in the development of tri-modal microstructure during isothermal local loading forming of TA15 titanium alloy. Journal of Materials Processing Technology, 239, 160–171. http://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2016.08.015
  2. Wang, Z., Wang, X. & Zhu, Z. (2017). Characterization of high-temperature deformation behavior and processing map of TB17 titanium alloy. Journal of Alloys and Compounds, 692, 149–154. http://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.09.012

Основные термины (генерируются автоматически): лазерное упрочнение, дополнительная обработка, лазер, металлическая поверхность, сложная форма, слой, химико-термическая обработка.

Разупрочнение заготовок из низколегированных титановых сплавов лазерным отжигом Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 535(075)

РАЗУПРОЧНЕНИЕ ЗАГОТОВОК ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ЛАЗЕРНЫМ ОТЖИГОМ

© 2008 С П. Мурзин, В.И. Трегуб, А.В. Меженин, Е.Л. Осетров Самарский государственный аэрокосмический университет

Проведены экспериментальные исследования условий снятия наклепа и образования рекристаллизован-ной структуры с помощью лазерного нагрева, которые показали возможность протекания этих процессов в диапазоне температур рекристаллизации низколегированных титановых сплавов. Исследования свойств обработанных материалов показали, что применение лазерного отжига для местного разупрочнения перед формообразованием заготовок из металлических сплавов позволяет повысить точность изготовления деталей, уменьшить пружинение и радиусы гиба.

Разупрочнение, низколегированный сплав, лазерный отжиг, формообразование, пружинение, радиус гиба, наклеп, рекристаллизационная структура

С целью увеличения удельной прочности и жесткости изделий в штамповочном производстве деталей летательных аппаратов и их двигателей используют титановые сплавы. Средне- и высоколегированные титановые сплавы практически не поддаются холодному формообразованию из-за высокого сопротивления металла деформации, интенсивного упрочнения, склонности к растрескиванию и разрывам. Изготовление деталей проводят с нагревом заготовки на существующем в заго-товительно-штамповочном производстве оборудовании традиционными и специальными приемами работы на специальной оснастке [1-3]. Нагрев заготовок проводится в электрических печах сопротивления, на установках радиационного и электроконтактного нагрева, а также кондукционным способом горячей оснастки. Низколегированные сплавы также имеют пониженные характеристики пластичности, что вызывает необходимость нагрева деформируемого металла. Наиболее важными специфическими особенностями, определяющими комплекс технологических свойств таких конструкционных материалов, наряду с ограниченными возможностями холодного деформирования являются их низкая теплопроводность и высокая активность взаимодействия с окружающей средой. Лазерный нагрев является более предпочтительным, так как он обеспечивает возможность значительного сокращения времени пребывания металла при температурах интенсивного окисления и газонасыщения поверхностных слоев.

Целью данной статьи является определение возможности применения лазерного отжига для местного разупрочнения листовых заготовок из низколегированных титановых сплавов ОТ4 и ОТ4-1. 1230К. Применяются для

сварных узлов, деталей (в том числе, тонкостенных) и изделий, длительно работающих при температурах до 570 К и при 620 К (до 2000 час). Для низколегированных титановых сплавов формообразование с нагревом является основным способом формоизменения [3]. Эти сплавы имеют удовлетворительную технологическую пластичность в интервале температур 760…870 К для ОТ4-1 и 820…970 К – для ОТ4. Однако при технологических нагревах в воздушной среде до температур выше 770 К на поверхностях заготовок образуются оксидные и газонасыщенные слои, снижающие эксплуатационную прочность деталей и ухудшающие штампуемость материала [1-2].

Проведены экспериментальные исследования условий снятия наклепа и образования рекристаллизованной структуры с помощью лазерного нагрева, которые показали возможность протекания этих процессов в диапазоне температур рекристаллизации (для сплава ОТ4-1: Тд.= 990…1110 К, а для

сплава ОТ4: Тд = 1030…1130 К). Лазерная

обработка деталей выполнена на СО2-лазерном технологическом оборудовании ЛК-1300 “Хебр-1А”, “БУБТАЯ 2512” с излучателем БТЬ 1800. Определены параметры режима обработки: мощность лазерного излучения Q =450±5 Вт; скорость обработки и =0,6±0,01 м/с. Для целенаправленного изменения пространственного распределения мощности воздействующего высокоинтен-

сивного лазерного излучения применялись системы транспортировки и формирования пучков излучения, включающие в свой состав модули дифракционной оптики (фоку-саторы излучения) [4-5]. На рис. 1 представлена структура листового низколегированного титанового сплава ОТ4-1 толщиной 8 = 2-10″ м после проведения лазерного отжига. Исходный материал имеет волокнистую структуру. Зона отжига имеет зернистую структуру, представленную а -фазой и небольшим количеством Р -фазы. При лазерном отжиге происходит рекристаллизация деформированной структуры, а также распад метастабильных фаз с образованием стабильной рекристаллизованной структуры.

Рис. 1. Структура листового титанового сплава ОТ4-1 после лазерного отжига: 1 – зона отжига; 2 – исходная структура, увеличение Х300

Исследование свойств обработанных материалов

Для определения предельного относительного удлинения, характеризующего пластичность сплавов, проведены испытания на растяжение образцов из листового материала ОТ4-1 толщиной 8 = 2-10″ м. Получены следующие результаты: относительное удлинение после разрыва до лазерного отжига имело значение 8,2 % (7,4…8,9 %), а после лазерного отжига – 21,5 % (18,5.23,5 %), т.е. повышение предельного относительного удлинения после лазерного отжига составляет 10.15 %.

Проведены испытания на изгиб образцов из листовых титановых сплавов. Оценка предельного угла изгиба осуществлялась на испытательной машине усилием 20 тс при

плавном увеличении нагрузки на образец до появления на нем первой трещины. Радиус закругления опор гЗО и диаметр закругления оправки dЗC устанавливались в соответствии с требованиями ГОСТ [6-7], и для листов из ОТ4-1 и ОТ4 толщиной 8 = 2-10-3 м их значения составляли: гЗ0 = 15-10-3 м; dЗC = 610-3 м. В результате проведенных испытаний были получены следующие результаты: предельный угол изгиба до лазерного отжига не превышал 1,13.1,29 рад для ОТ4-1 и 0,95.1,06 рад для ОТ4, после лазерного отжига составил 1,8.1,94 рад для ОТ4-1 и 1,47.1,62 рад для ОТ4. Таким образом, повышение предельного угла изгиба после лазерного отжига составляет 50.60 % для ОТ4-1 и ОТ4.

Применение лазерного отжига обеспечивает повышение предельного относительного удлинения на 10.15 %, увеличение предельного угла изгиба при холодном деформировании листовых деталей из низколегированных титановых сплавов ОТ4 и ОТ4-1 на 50.60 %, что предоставляет возможность проводить их формообразование без дополнительного подогрева.

Точность штампованных деталей зависит от большого числа факторов, являющихся причиной образования погрешностей. Такими факторами являются: тип штампа и способ фиксации заготовки, точность изготовления штампа и его износ, структура технологического процесса, т.е. количество и последовательность операций, с увеличением числа которых происходит накопление погрешностей и т.д. При гибке точность в значительной степени обуславливается упругими и пластическими свойствами материала, определяющими величину упругих деформаций (упругого пружинения, выражаемого в угловом измерении) и вызывающими у изготовленных деталей погрешности линейных размеров [8].

Для оценки угла пружинения проведены сравнительные испытания деталей из сплава ОТ4-1 толщиной 5 =2-10″ м, угол гиба составлял а =0,52 рад. Опытные образцы изготавливались с локальным лазерным отжигом места гиба по разработанной схеме. Контрольные образцы изготавливались из материала той же партии, их гибка осуществлялась по базовой технологии с одной установки гибочного приспособления. В результате проведенных испытаний угол пружине-ния образцов без лазерного отжига места ги-ба имел значение 5,2-10″ рад, с локальным лазерным отжигом места гиба – 2,8 (2,6.3,0). Применение локального лазерного отжига обеспечивает снижение угла пру-жинения при гибке деталей из низколегированного титанового сплава на 40.50 %.

Проводилось сравнение усталостной прочности деталей, изготовленных по серийной технологии и с применением лазерного отжига. Испытания осуществлялись по первой форме колебаний свободной детали методом ступенчатого нагружения при температуре Т =293 К, база испытаний состав-

ляла п0 = 5-106 циклов. Сравнение выявило,

что образцы деталей, изготовленных с применением лазерного отжига, не уступают серийным.

Формирование зоны отжига переменной ширины предоставляет возможность штамповки деталей с переменным радиусом гиба. Перспективно применение в специализированном оборудовании совмещения газолазерной резки и формоизменяющих операций с технологической операцией лазерного местного подогрева. Схемы напряженного и деформированного состояний при различных формоизменяющих операциях различны, однако предложенный подход к разработке комбинированных технологических процессов совмещения операций лазерного отжига и штамповки можно с достаточной определенностью распространить на операции вытяжки, обжима, раздачи, формовки и т.д. Титановые сплавы применяют для изготовления рабочих лопаток осевых компрессоров газотурбинных двигателей. Известно, что равноосная глобулярная структура титановых сплавов обеспечивает максимальную выносливость, а структура игольчатого типа – максимальную жаропрочность. Создание структур в зависимости от назначения и условий работы деталей может быть дополнительным резервом повышения их надежности.

Применение лазерного отжига для местного разупрочнения перед формообразованием заготовок из металлических сплавов позволяет повысить точность изготовления деталей, уменьшить пружинение и радиусы гиба. Межоперационный отжиг для снятия наклепа у сплавов, имеющих низкую степень критической деформации, также целесообразно проводить с применением лазерного нагрева. Ширина зоны отжига заготовки и ее расположение определяется точностью выполнения формоизменяющих операций и условием протекания деформации разрушения. Заданная ширина зоны обработки не может быть получена любым из способов местного нагрева кроме лазерного, поскольку они при передаче тепла не обладают высокой плотностью энергии.

Заключение

Проведены экспериментальные исследования условий снятия наклепа и образования рекристаллизованной структуры с помощью лазерного нагрева, которые показали возможность протекания этих процессов в диапазоне температур рекристаллизации (для сплава ОТ4-1: Tp = 990…1110 K, а

для сплава ОТ4: Tp = 1030…1130 K). Определены параметры режима обработки: мощность лазерного излучения Q =450±5 Вт; скорость обработки и =0,6±0,01 м/с. Зона отжига имеет зернистую структуру, представленную a -фазой и небольшим количеством ß -фазы. При лазерном отжиге происходит рекристаллизация деформированной структуры, а также распад метаста-бильных фаз с образованием стабильной рекристаллизованной структуры.

Применение лазерного отжига обеспечивает повышение предельного относительного удлинения на 10…15 %, увеличение предельного угла изгиба при холодном деформировании листовых деталей из низколегированных титановых сплавов ОТ4 и ОТ4-1 на 50.60 %, что предоставляет возможность проводить их формообразование без дополнительного подогрева. Применение локального лазерного отжига обеспечивает снижение угла пружинения при гибке деталей из низколегированного титанового сплава на 40.50 %.

Библиографический список

1. Братухин, А.Г. Технология производства титановых самолетных конструкций [Текст] / А.Г. Братухин [и др.] – М.: Машиностроение, 1995. – 448 с.

2. Колачев, Б.А. Титановые сплавы в конструкциях и производстве авиадвигателей и авиационно-космической технике [Текст] / Б.А. Колачев [и др.], под ред. А.Г. Братухина. – М.: Издательство МАИ, 2001. – 412 с.

3. Братухин, А.Г. Штамповка, сварка, пайка и термообработка титана и его сплавов в авиастроении [Текст] / А.Г. Братухин [и др.], под ред. А.Г. Братухина. – М: Машиностроение, 1997. – 600 с.

4. Soifer, V.A. Methods for computer design of diffractive optical elements [Текст] / Ed. by V.A. Soifer. – New York: J. Wiley and Sons Inc., 2002. – 784 p.

5. Murzin, S.P. Increasing the efficiency of laser treatment of materials using elements of computer optics [Текст] / S.P. Murzin // Journal of Advanced Materials. – 2003. – V. 10, №2. -P. 181-185.

6. ГОСТ 1497 – 84. Металлы. Методы испытаний на растяжение [Текст] – Введ. 1986-01-01. – М.: Издательство стандартов, 1984. – 35 с.

7. ГОСТ 11701 – 84. Металлы. Методы испытаний на растяжение тонких листов и лент [Текст] – Введ. 1986-01-01. – М.: Издательство стандартов, 1984. – 11 с.

8. Романовский, В.П. Справочник по холодной штамповке [Текст] / В.П. Романовский – 6-е изд., перераб. и доп. – Л.: Машиностроение. 1979. – 520 с.

References

1. Bratukhin, A.G. Titanium airplane constructions production engineering / A.G. Bratukhin [and other] – Moscow: “Mashinos-troyeniye” (Mechanical engineering), 1995. -448 p. – [in Russian].

2. Colachev, B.A. Titanium alloys in the design and manufacture of air-engines and aerospace equipment / B.A. Colachev [and other]; Edited by A.G. Bratukhin. – Moscow: Publishing house of MAI, 2001. – 412 p. – [in Russian].

3. Bratukhin, A.G. Blanking, welding,

solder and heat treatment of titanium and its alloys in aircraft industry / A.G. Bratukhin [and other]; Edited by A.G. Bratukhin. – Moscow: “Mashinostroyeniye” (Mechanical engineering), 1997. – 600 p. – [in Russian].

4. Soifer, V.A. Methods for computer design of diffractive optical elements / Ed. by V.A. Soifer. – New York: J. Wiley and Sons Inc., 2002. – 784 p.

5. Murzin, S.P. Increasing the efficiency of laser treatment of materials using elements of computer optics / S.P. Murzin // Journal of Advanced Materials. – 2003. – V. 10, №2. – P. 181-185.

6. GOST 1497 – 84. Metals. Methods of stretching tests – Intr. 1986-01-01. – Moscow: Standards publishing house, 1984. – 35 p. – [in Russian].

7. GOST 11701 – 84. Metals. Stretching tests methods of light sheets and belts – Intr. 1986-01-01. – Moscow: Standards publishing

house, 1984. – 11 p. – [in Russian].

8. Romanovskiy, V.P. Reference book by cold forming [Text]/V.P. Romanovskiy. – 6th issue, remaked and suppl. – Leningrad: “Mashi-nostroyeniye” (Mechanical engineering), 1979. – 520 p. – [in Russian].

SOFTENING OF HALF-FINISHED PRODUCTS FROM TITANIC LOW-ALLOY BY LASER ANNEAL

©2008 S.P.Murzin, V.I.Tregub, A.V.Mezhenin, E.L. Osetrov Samara State Aerospace University

Experimental researches of cold work’s removal and formation recrystallizated structures conditions by laser heating have shown an opportunity of passing these processes in a range of recrystallization temperatures titanic low alloys. Researches properties of the processed materials have shown that laser anneal application for local softening before shaping of half-finished products from metal alloys allows to increase accuracy of manufacturing of details, to reduce springing and bending radiuses.

Softening, low alloy, laser annealing, shaping, springing, bending radius, work hardening, recrystallizational structure

Сведения об авторах:

Мурзин Сергей Петрович, профессор, д.т.н., доцент, ГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет им. С.П. Королева», [email protected], взаимодействие лазерного излучения с веществом, нанотехнологии.

Трегуб Валерий Иванович, доцент, к.т.н., ГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет им. С.П. Королева», [email protected], авиационное материаловедение.

Меженин Андрей Викторович, аспирант, ГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет им. С.П. Королева», [email protected], взаимодействие лазерного излучения с веществом, нанотехнологии.

Осетров Евгений Леонидович, студент, ГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет им. С.П. Королева», [email protected], взаимодействие лазерного излучения с веществом, нанотехнологии

Murzin Serguey Petrovich, professor, Dr. Sci. Tech., reader, SEE HVT «S.P. Korolev Samara State Aerospace University», [email protected], interaction of laser radiation with matter, nanotechnology.

Tregub Valeriy Ivanovich, reader, Cand. Sci. Tech., SEE HVT «S.P. Korolev Samara State Aerospace University», [email protected], aircraft material engineering.

Mezhenin Andrey Victorovich, post-graduate, SEE HVT «S.P. Korolev Samara State Aerospace University», [email protected], interaction of laser radiation with matter, nanotechnology.

Osetrov Evgeniy Leonidovich, student, SEE HVT «S.P. Korolev Samara State Aerospace University», [email protected], interaction of laser radiation with matter, nanotechnology.

Центр Лазерных Технологий разработал инновационное оборудование для обработки металлов – Санкт-Петербург

Лазерная обработка металлических поверхностей методом ударной волны (LSP) приводит к изменению их молекулярных характеристик и, в конечном итоге, позволяет существенно увеличить срок службы изделий из металла. Это на практике доказали испанские ученые. А наш центр, опираясь на успешный опыт испанцев, разработал собственное уникальное оборудование.

Не так давно исследовательская группа профессора Хосе Луиса Оканья (Технический университет, Мадрид) применила LSP для обработки турбин и деталей искусственных тазобедренных суставов. В результате деформации верхнего слоя металла «подопытные» изделия стали более устойчивыми к различным механическим и энергетическим воздействиям.

Полученный результат проведенных испанцами опытов трудно недооценить. Практическое использование LSP-обработки позволяет существенно увеличить срок эксплуатации изделий из нержавеющей стали, алюминиевых сплавов и титана. Во-первых, такая обработка повышает износостойкость изделий, их сопротивляемость коррозии. Во-вторых, препятствует образованию трещин под воздействием мощного статического напряжения.

Метод LSP уже успешно опробирован на материалах, которые используются в аэронавтике, атомной, автомобильной и биомедицинской промышленностях. Правда, несмотря на очевидные преимущества нового метода, его применение пока ограничивается только лабораторными разработками. Доведение LSP до уровня промышленной технологии требует огромных финансовых вложений. К примеру, еще не решена проблема определения оптимальных значений для множества технических параметров, связанных с его применением.

Сейчас испанские ученые работают над совершенствованием процессов LSP в различных условиях облучения за счет использования систем контроля и управления процессами, а также разрабатывают численные модели оптимизации различных параметров технологического процесса. Таким образом, они вплотную подошли к внедрению технологии в промышленное производство.

Собственный вклад в развитие LSP-технологий внес и наш Центр лазерных технологий. Опираясь на научные достижения испанских коллег, мы выполнили свой инновационный проект: исследовали модификации поверхностного слоя металлов, вызванных серией лазерных импульсов наносекундной длительности.

 

Полученные результаты мы использовали для создания многофункционального лазерного технологического комплекса (МЛТК), который предназначен для проведения операций лазерного наклепа и очистки оксидированных металлических поверхностей.

Инновационность проекта ЦЛТ заключается в новом способе обработки металлических поверхностей — периодически повторяющимися сериями лазерных импульсов наносекундной длительности, которые разворачиваются на обрабатываемой поверхности в регулярный растр.

Как показали наши исследования, подобное воздействие на металлы позволяет в 2, а то и в 3 раза повысить производительность технологических процессов лазерного наклепа и очистки и одновременно с этим значительно снизить стоимость технологической установки.

В 2012 г. результаты нашего уникального проекта были опубликованы и запатентованы (патент №2445175: «Способ поверхностной лазерной обработки и устройство для его осуществления»).

Что такое лазерная закалка? – Титанова, ООО

 

Лазерное упрочнение, также называемое лазерным упрочнением корпуса, представляет собой процесс термообработки, используемый для повышения прочности и долговечности поверхностей компонентов. В нем используются мощные диодные лазеры, которые направляют энергию на нагрев локализованных участков поверхности компонента. Когда лазеры перемещаются по поверхности, они мгновенно нагревают поверхность и желаемый случай выше температуры аустенизации, когда лазер проходит над этим объемом металла, он самогасится (т.е., охлаждается) быстро за счет проводимости, что приводит к образованию мартенситной структуры и, как следствие, к упрочнению материала.

По сравнению с традиционными методами закалки лазерная закалка имеет ряд преимуществ, таких как меньший риск коробления и растрескивания, более высокая точность и точность, а также более широкий выбор материалов. Эти характеристики делают его пригодным для обработки различных деталей и изделий.

В следующей статье представлен обзор процесса лазерной закалки, включая его суть, основные преимущества, типичные области применения и возможности лазерной термообработки, доступные в Titanova.

 

 

Что такое процесс лазерной закалки?

Несмотря на то, что операции лазерной закалки могут незначительно отличаться от проекта к проекту в зависимости от детали и производственных спецификаций, все они выполняются по одним и тем же основным этапам.

  1. Позиционирование заготовки под диодным лазером. Процесс лазерной закалки подходит практически для любой стали или чугуна, содержащих углерод. Заготовка может варьироваться от простой до очень сложной.
  2. Активация лазера. Как только заготовка находится в правильном положении, предварительно запрограммированная программа робота активирует лазер, который нагревает поверхность локализованного участка чуть ниже точки плавления (обычно от 900 до 1400°C). В ответ на тепло решетка атомов углерода перестраивается. Этот процесс известен как аустенитизация.
  3. Перемещение лазера по поверхности компонента. Область под лазерным лучом мгновенно достигает нужной температуры, лазерный луч запрограммирован на перемещение по поверхности заготовки по заранее запрограммированной траектории.Энергия лазера на единицу площади, которая определяется мощностью лазера и скоростью поверхности, определяет глубину закаленного слоя. Как только лазер перемещается по области, область быстро гаснет. Быстрая закалка предотвращает возвращение атомов углерода к их первоначальному формированию решетки и образование более твердой кристаллической структуры, известной как мартенсит. Именно эта структура упрочняет корпус.

Воздействие процесса лазерной закалки может распространяться на заготовку на глубину от 0,1 до 2 миллиметров в зависимости от материала и параметров лазерного процесса.Кроме того, его можно использовать по всей поверхности компонента или только на определенных участках (выборочное упрочнение), в зависимости от конструкции и функции конечного продукта.

Нужна ли закалка материалов, упрочненных лазером?

При операциях лазерной закалки нет необходимости в отдельной стадии закалки после подвода тепла к заготовке. В то время как традиционно нагретые детали необходимо погружать в жидкость для закалки материала, детали, закаленные лазером, самозакаливаются в режиме проводимости, т.е.е., охлаждаемые без дополнительных охлаждающих жидкостей и процессов.

Преимущества процесса лазерной закалки

По сравнению с другими процессами закалки лазерная закалка имеет ряд преимуществ, в том числе:

  • Меньший риск деформации:  При обычных операциях закалки сочетание нагрева всей заготовки или большего объема заготовки и последующих операций жидкостной закалки приводит к высокому риску деформации и растрескивания обрабатываемых заготовок.Лазерная закалка имеет точный ввод энергии и устраняет необходимость в жидкостной закалке. Результат – гораздо меньше искажений.
  • Лучшая совместимость с небольшими компонентами: Диодные лазеры позволяют точно контролировать температуру поверхности и положение лазерного луча. Эта способность позволяет инженеру-технологу предсказуемо управлять подводом тепла, что имеет решающее значение для повторяющихся операций закалки в производстве.
  • Повышенная точность:  В операциях лазерной закалки лазерная технология позволяет операторам контролировать температуру и движение луча с высокой степенью точности.Эта способность позволяет им тщательно управлять подводом тепла, что имеет решающее значение для повторяемых операций закалки в производстве.
  • Более низкие затраты на обработку: По сравнению с другими процессами поверхностного упрочнения, такими как пламенная и индукционная закалка, лазерное упрочнение является бесконтактным процессом, который может обеспечить требуемую глубину покрытия, но не более. Это, наряду с отсутствием необходимости жидкостной закалки, приводит к меньшим искажениям, что впоследствии устраняет необходимость в дорогостоящем последующем твердом фрезеровании и шлифовании.
  • Более широкая совместимость с деталями сложной геометрии:  Некоторые методы закалки, такие как закалка пламенем и индукционная закалка, затрудняют обработку деталей сложной геометрии. Метод бесконтактного лазерного упрочнения позволяет выборочно упрочнять поверхности деталей независимо от их геометрии.

Применение процесса лазерной закалки

Лазерная закалка очень универсальна, предлагая меньший риск деформации, более высокую скорость обработки и более низкие затраты на обработку широкого спектра металлических компонентов.Эти качества делают его пригодным для обработки многих различных промышленных и коммерческих компонентов, в том числе для следующих отраслей:

  • Аэрокосмическая отрасль
  • Сельское хозяйство
  • Автомобилестроение
  • Химическая обработка
  • Уголь
  • Строительство
  • Энергия и рекуперация
  • Пищевая промышленность
  • Тяжелое оборудование
  • Морской
  • Горнодобывающая промышленность
  • Атомная энергия
  • Добыча и переработка нефти
  • Целлюлоза и бумага
  • Восстановление
  • Производство стали
  • Транспорт

Поскольку процесс лазерной закалки затрагивает только верхние слои заготовки, он считается поверхностной закалкой.Он используется для повышения износостойкости поверхности различных металлических компонентов, в том числе подвергающихся циклическому, механическому и износу (например, горные долота и поршни). Другими примерами типичных деталей, упрочненных лазером, являются инструменты и приспособления, зубчатые колеса, звездочки и распределительные валы.

Обратитесь к экспертам Titanova, если вам нужна лазерная закалка

Titanova — поставщик полного спектра услуг по лазерной обработке материалов, который предоставляет широкий спектр нережущих лазерных услуг для клиентов из самых разных коммерческих отраслей.Одним из основных направлений нашей деятельности является лазерная закалка.

Процесс лазерной закалки является эффективным и действенным методом повышения долговечности поверхности металлических компонентов. Его более высокая точность и меньший риск деформации делают его идеальным для упрочнения поверхностей очень сложных и очень маленьких или хрупких деталей. Если вы ищете опытного и знающего партнера по лазерной закалке, специалисты Titanova всегда готовы помочь.

Компания Titanova представляет собой сертифицированную по стандарту ISO 9001:2015 лазерную мастерскую с полным спектром услуг.Мы предлагаем широкий спектр нережущих лазерных услуг, включая, помимо прочего, лазерную термообработку. Эта возможность позволяет нам производить компоненты, устойчивые к повторяющимся механическим и химическим нагрузкам, такие как:

  • Опорные и режущие поверхности
  • Компоненты трансмиссии
  • Шестерни, шкивы и кулачки
  • Ручной инструмент
  • Иглы и булавки
  • Детали из порошкового металла
  • Насосы
  • Штамповочные штампы
  • Лопасти турбины
  • Клапаны и уплотнения

В дополнение к нашим возможностям лазерной закалки, мы также предлагаем ряд других нережущих лазерных услуг, таких как лазерное аддитивное производство, лазерная пайка, лазерная наплавка, лазерное остекление, лазерная наплавка и лазерная сварка.

Независимо от ваших потребностей в нережущей лазерной обработке, наш обширный отраслевой опыт и бескомпромиссные стандарты качества гарантируют, что мы сможем удовлетворить или превзойти ваши требования. Чтобы узнать больше о нашей лазерной закалке и других возможностях или поработать с нами над вашим следующим проектом, свяжитесь с нашей командой сегодня.

Что такое лазерная закалка? – Определение из Corrosionpedia

Что означает лазерная закалка?

Лазерная закалка — это процесс термической обработки или процесс закалки поверхности, при котором лазерный луч используется для нагрева поверхности металлической детали, а затем позволяет ей быстро остыть в окружающем воздухе.Этот процесс используется исключительно для черных металлов, пригодных для закалки, включая стали и чугуны с содержанием углерода более 0,2 процента.

Лазерная закалка требует меньше доработок и позволяет обрабатывать трехмерные детали неправильной формы. Лазерное упрочнение повышает твердость и износостойкость, что приводит к уменьшению абразивного износа.

Corrosionpedia объясняет лазерную закалку

Лазерное упрочнение — это процесс поверхностного упрочнения, обычно используемый для сложных форм или больших объектов, поскольку он позволяет полностью контролировать твердость и текстуру поверхности.Лазерное упрочнение заключается в быстром нагреве поверхности материала лазерным лучом, кратковременной выдержке заданной температуры и интенсивном охлаждении за счет высокой теплопроводности материала. В период охлаждения происходит процесс, называемый «самозакалкой», при котором в тонком слое на поверхности детали формируется мелкозернистая структура. Этот процесс приводит к тому, что механические свойства поверхности отличаются от механических свойств остального материала.

Лазерная закалка может использоваться для локального повышения износостойкости и увеличения срока службы деталей для самых разных областей применения, от инструментов для штамповки до оборудования для бурения нефтяных скважин.Эта технология особенно подходит для приложений, где критически важен минимальный подвод тепла к окружающему материалу. Лазерное упрочнение обычно применяется для трансформационного упрочнения черных металлов, таких как закаливаемые стали и чугуны.

Он предлагает множество преимуществ по сравнению с обычными процессами термообработки, включая высокую производительность, воспроизводимость и качество продукции. Во многих случаях локальная обработка и минимальное подвод тепла приводят к уменьшению искажений, а высокая скорость закалки создает тонкую микроструктуру.

Лазерные поверхностные обработки могут быть разделены на процессы, включающие:

  • твердотельные преобразования, в том числе:
  • 2
  • Мартенситный закалок
  • отпуск
  • Ударное отверждение
  • процессы плавления, в том числе:
  • 10.6.4 Атрибуты производственного процесса

    Из вышеизложенного становится ясно, что наиболее важными процессами, связанными с производством велосипеда, являются сварка, механическая обработка, термообработка, покраска, неорганическое покрытие и волочение труб. Эффективный контроль переменных процесса, указанных в таблице 10.30, является предпосылкой для получения годного к употреблению продукта. Далее следует обсуждение переменных процесса, связанных с этими процессами.

    Таблица 10.30. Преобразование от функций процесса для обработки переменных для велосипеда

    Особенности Процесс Особенности Комментарии Важность Температура Давление / крутящий момент Продолжительность Скорость / корма / глубина резки Размер зерна Размеры умирают Плотность тока Pigment 9024 9 18 S S S TIG или дуга сварные термообработка трубок 12 S S Вт Термическая обработка для снятия напряжений Обработки концентраторов 11 S кованых и точеный для большей точности размеров Поверхность Отделка 2 2 S Подшипники8 Металлообработка 7 S м м S Трубы холодному волочению с помощью литья под оправку Органические картины 7 M улучшается внешний вид и контроль коррозии неорганическое покрытие 3 М уменьшает абразивный характер алюминиевых рам литье под давлением 4 М Используется для создания композитов Диапазон Единицы ° т мин м/с 902 43 мм дюйма A г/куб.см

    Взаимосвязи : Сильная (S)=5; средний (М)=3; слабый (W)=1.

    Термическая обработка применяется к деталям для придания им свойств, делающих их более пригодными для использования: повышенная твердость поверхности; создание необходимой микроструктуры для желаемых механических свойств, таких как прочность, пластичность и ударная вязкость; снятие остаточных напряжений; удаление включений, таких как газы; изменение электрических и магнитных свойств; и улучшение износостойкости и коррозионной стойкости.

    Некоторые процессы термической обработки включают аустенизацию, выравнивание, закалку, отжиг, нормализацию, цементацию, азотирование, карбонитрирование, хромирование, борирование, резистивную закалку, индукционную закалку, закалку пламенем, закалку электронным лучом; и лазерное упрочнение. Факторы, влияющие на результат процессов термообработки:

    Состав обрабатываемого металла

    Критическая зависимость превращения металла от температуры

    металл к закалке

    Метод применения закалки

    Контроль температуры и времени.

    Двумя наиболее важными методами соединения, используемыми в производстве велосипедов, являются дуговая сварка и пайка. Сварка представляет собой процесс соединения металлов, при котором локальная коалесценция производится либо путем нагревания металла до подходящих температур с приложением давления или без него, либо только приложением давления с использованием присадочного металла или без него. Сварочный присадочный металл (флюс) имеет температуру плавления примерно такую ​​же или ниже температуры основного металла, но выше 800°F.При пайке используются цветные присадочные металлы с температурой плавления ниже температуры основного металла, но выше 800°F. Наполнитель распределяется в близкорасположенном шве за счет капиллярного действия. Факторы, влияющие на качество сварки, включают подготовку зоны сварки, присадочный металл и флюс.

    Многие компоненты велосипеда, такие как ступицы, шатуны, подшипники вилки и педали, имеют подшипники, которые необходимо обрабатывать надлежащим образом, чтобы свести к минимуму потери энергии. Потери из-за механического трения уменьшаются за счет использования подшипников в этих компонентах.Конструкция подшипника влияет не только на потери механической энергии, но и на плавность работы таких соединений, как вилки, где в противном случае потери могут быть минимальными. Грубые подшипники создают тяжелые условия для езды на педалях и вилке. Двумя наиболее важными элементами подшипника являются его внутреннее и внешнее кольца. Обоймы подшипников изготавливаются с помощью таких операций, как холодная штамповка и чистовая обработка. Низкая шероховатость поверхности и жесткие допуски обеспечивают хорошие подшипники. Операции механической обработки, такие как шлифовка и отделочные операции, такие как хонингование и притирка, позволяют получить подшипники, превосходящие штампованные подшипники.

    Трубы, используемые в велосипедах, изготавливаются путем горячей обработки давлением, пластической деформацией металла под действием приложенной внешней силы для изменения формы путем обработки металла выше температуры его рекристаллизации. Факторами, влияющими на горячую обработку, являются температура деформации, скорость деформации или скорость деформации и величина деформации. Успех также зависит от метода и инструментов горячей обработки давлением. Качество валков и матриц влияет на качество труб. Двумя основными процессами горячей обработки, применяемыми при производстве труб, являются горячая прокатка и горячая экструзия.Горячая прокатка требует вторичной операции электросварки для закрытия швов. Трубы, изготовленные методом горячей прокатки, непрочны в швах, в то время как у экструдированных труб это ограничение отсутствует.

    Неорганическое покрытие предназначено для того, чтобы придать следующие свойства к поверхности металлической подложки:

    Коррозионная защита

    Обработка Prepainting

    Устойчивость к истиранию

    Электрическое сопротивление

    холодные формовочные смазки

    Антифрикционные свойства

    Декоративная финальная отделка

    Простая очистка.

    Некоторые из методов поверхностного покрытия включают конверсионное покрытие, анодирование, термическое напыление, наплавку твердым сплавом, эмалирование фарфора и ионно-паровое осаждение.

    Наружная часть рамы и вилки окрашена органическим покрытием для улучшения внешнего вида и предотвращения коррозии. Компонентами материала, влияющими на качество окраски, являются связующее, пигмент, разбавитель и добавки. Связующее обычно представляет собой смолистый материал, диспергированный в жидком разбавителе, и оно удерживает пигмент на поверхности.Пигмент представляет собой твердое вещество, нерастворимое в связующем и его разбавителе. Разбавитель сначала растворяет связующее на основе смолы, но при добавлении в различных количествах и типах он ацетатируется. Добавки – это соединения, добавляемые в небольших количествах для придания покрытию особых свойств. Некоторыми важными типами являются агенты против пленки, консерванты, осушители краски, металлические мыла, смачивающие агенты, агенты, регулирующие вязкость и суспензию, фунгициды и плесневые грибы. Качество покраски зависит от подготовки поверхности, температуры окружающей среды, расхода краски и скорости конвейера, удерживающего раму.

    Что такое лазерная закалка? | MSSA

    Источник тепла

    Лазерный луч высокой мощности

    Материал

    Порошок (металл)

    Передача

    Через лазерный луч

    Процесс

    Лазерная закалка — это процесс термообработки, в котором используется мощный лазерный луч для локального упрочнения поверхности стальных или чугунных компонентов. Подобно индукционной закалке, лазерная закалка зависит от термической массы компонента для охлаждения обрабатываемой области.Нет необходимости закалки в воде или масле для достижения требуемой твердости.

    Лазеры имеют тенденцию создавать более твердые поверхности на меньшую глубину по сравнению с другими процессами упрочнения. Это делает лазерную закалку идеальной для улучшения характеристик сложных и высокоточных компонентов.

    Важные аспекты лазерной закалки:

    Материал подложки

    Только материалы, подвергающиеся трансформационному твердению, могут быть закалены этим методом, углеродистые стали, высокоуглеродистые нержавеющие стали, чугуны и алюминиевые бронзы обычно считаются закаливаемыми.

    Отделка поверхности

    Необходимо точно контролировать поглощение лазерного луча подложкой, шероховатость поверхности и отделка могут существенно влиять на количество отраженной лазерной энергии, поэтому очень отражающие поверхности очень трудно упрочнить лазером.

    Глубина твердости

    Лазерное упрочнение позволяет получить упрочненный слой толщиной до 1,5 мм в основном материале. Как правило, более глубокая закалка приводит к снижению твердости.

    Ударопрочность и прочность

    Лазерное упрочнение позволяет создавать чрезвычайно твердые микроструктуры, иногда превышающие 1000 Hv, что приводит к потере пластичности, если ваше приложение требует высокого уровня прочности, тогда, возможно, лазерная наплавка является более подходящим вариантом.

    Лазерная закалка

    по сравнению с лазерной закалкой

    Цели и процесс лазерной закалки полностью отличаются от лазерной закалки. Оба могут давать особые преимущества металлам, и оба используют лазеры, но в этом их общие характеристики расходятся.
    Лазерная закалка

    — это процесс холодной обработки, а лазерная закалка — это процесс термообработки, при котором температура часто превышает 1000 градусов по Цельсию.

    Лазерная обработка

    использует короткоимпульсные лазеры с длительностью около 8-16 наносекунд в каждой точке. Но лазерная закалка перемещает непрерывный луч вокруг детали — или деталь движется, чтобы поглощать тепло от стационарного луча.

    Самое главное, выгоды от этих двух процессов почти полностью различаются. Лазерная закалка
    , часто называемая лазерной закалкой, в первую очередь предназначена для упрочнения металлов от трения, абразивных материалов и износа.

    Лазерная обработка

    , с другой стороны, увеличивает срок службы или усталостную долговечность металлов, предотвращая повреждение механических деталей от коррозии, растрескивания и вибрации с большим циклом.


    Лазерная обработка

    Цель

    Увеличенная усталостная долговечность

    Лазерная операция

    Лазерное воздействие на целевые области

    Наука

    Волна давления, создаваемая лазерным импульсом, глубоко проникает в металл, вызывая остаточные напряжения сжатия, противодействуя вредным напряжениям растяжения, которые приводят к коррозии и растрескиванию.

    Главное пособие

    До 10-кратного увеличения усталостной долговечности необработанных металлов, особенно эффективно при остановке и предотвращении коррозии, растрескивания и циклической усталости металла.

    Защита
    • До 12 миллиметров, в 10 раз больше, чем при большинстве традиционных методов обработки, включая лазерную закалку и дробеструйную обработку.
    • Защищает от коррозии, растрескивания, повреждения посторонними предметами, коррозии под давлением воды под давлением, истирания, истирания, кавитации, охрупчивания, микроструктурной пористости.
    • Холодный процесс, обеспечивающий глубокую и долговременную защиту от широкого спектра проблем, связанных с усталостью металла.

    Лазерная закалка

    Цель

    Закалка для защиты от износа

    Лазерная операция

    Непрерывный лазерный луч перемещается по поверхности

    Наука

    Лазер нагревает поверхность металла с последующей быстрой закалкой, формируя мартенситную структуру, тонкий слой корпуса на поверхности, который защищает металл под ней.

    Главное пособие

    Помогает предотвратить пластическую деформацию металлических деталей из-за скользящего контакта с другими материалами или абразивными материалами для получения более износостойких поверхностей.

    Защита
    • До 01–2 миллиметров ниже поверхности, либо по всей поверхности, либо по отдельным частям поверхности.
    • Предотвращает износ и добавляет некоторые сжимающие остаточные напряжения
    • Повышает твердость и износостойкость, не увеличивая хрупкость или коробление металлических профилей
    https://юту.быть/___hCW_EPPg

     

    Подробное обсуждение процесса и новый видеоролик с замедленным и крупным планом процесса см. в разделе «Как работает лазерная шлифовка».


     

    Лазерная упрочняющая обработка, часто называемая лазерной ударной упрочняющей обработкой (отсюда и LSP в LSP Technologies), посылает волну давления глубоко в металл для создания остаточных сжимающих напряжений. Эти механические напряжения предотвращают коррозию, растрескивание и другие признаки усталости металла, часто продлевая срок службы металлических компонентов в 10-15 раз по сравнению с их нормальным сроком службы.

    Процесс лазерной закалки

    Лазерная закалка — это горячий процесс, при котором используются чрезвычайно высокие температуры для изменения кристаллической структуры металлов. Лазерная закалка включает в себя нагрев металлов почти до их точки плавления, обычно между 900 и 1400 градусами по Цельсию, что приводит к перегруппировке атомов углерода в процессе, называемом аустенизацией.

    Образуется кристаллическая структура, называемая мартенситом, которая обладает физическими упрочняющими свойствами и проникает в металл на глубину до 2 миллиметров.Окружающий более холодный металл охлаждает обработанный металл после лазерного нагрева. Это действие нагрева/закалки обеспечивает защитный «корпус» вокруг металла. Это упрочнение предотвращает пластическую деформацию металла.

    «Поскольку мы все больше и больше интересуемся лазерной наплавкой, наши клиенты хотят знать, чем она отличается от других процессов, таких как лазерная закалка и дробеструйная обработка [ссылка на страницу Лазерная обработка против дробеструйной обработки]», — сказал Эрик Коллет, руководитель Операционный директор LSP Technologies.

    Как лазерная наплавка обеспечивает полезное остаточное напряжение при сжатии

    «Во-первых, преимущества лазерной закалки проникают под поверхность металла на глубину до 12 миллиметров, в то время как дробеструйная закалка и лазерная закалка достигают менее одной десятой этой глубины», — сказал он. «Существует ряд способов обработки металлов для упрочнения от износа и трения, в том числе лазерная закалка, но обычно они включают экстремально высокотемпературную термообработку».

    Лазерная наплавка использует короткие импульсы для создания волны давления, которая создает благоприятные сжимающие остаточные напряжения глубоко в детали.

    Это сжимающее напряжение противодействует вредным растягивающим напряжениям. Лазерная наплавка промышленных деталей предотвращает и останавливает коррозию, растрескивание и повреждение посторонними предметами, такими как птицы и мусор, которые представляют опасность для лопастей реактивного двигателя.

    Содержание углерода и лазерное упрочнение

    Лазерная закалка

    лучше всего подходит для высокоуглеродистых сталей с содержанием углерода не менее 0,45%, и чем меньше углерода, тем меньше преимуществ закалки.

    Лазерная обработка может принести пользу любому металлу, независимо от содержания углерода.Алюминий, титан, углеродистая сталь демонстрируют улучшения в ситуациях, когда глубокие сжимающие остаточные напряжения могут защитить компонент от усталостного разрушения, растрескивания, коррозии и повреждения от высокоцикловой вибрации.

     

    При лазерной обработке лазерный импульс генерирует ударную волну, которая механически растягивает пораженный материал. Окружающий материал пытается вернуться в свое предыдущее состояние, сжимаясь с обрабатываемым материалом, создавая благоприятное остаточное напряжение сжатия.

    Технология лазерной закалки | Ионбонд

    Технология

    Лазерная закалка имеет много преимуществ по сравнению с традиционными процессами термообработки: экономические аспекты включают высокую производительность, воспроизводимость и качество продукции. Во многих случаях локальная обработка и минимальное подвод тепла приводят к уменьшению искажений, а высокая скорость закалки создает тонкую микроструктуру.Лазерную обработку поверхности можно разделить на процессы, связанные с превращением твердого тела, и процессы плавления. Первая категория включает мартенситную закалку, отпуск и ударную закалку, а вторая включает переплавку, легирование, наплавку и дисперсионную закалку.
    Наиболее часто используемым процессом является мартенситное упрочнение превращением, которое применяется к углеродистым сталям и чугунам. Применение лазерного луча быстро повышает температуру поверхности (до 1000 К/с), в результате чего тонкий слой превращается в аустенит.Последующий отвод энергии приводит к самогашению, вызванному переносом тепла в относительно холодный объем. Это создает быстро охлаждаемый поверхностный слой и вызывает превращение аустенита в мартенсит. Поэтому важно, чтобы сталь находилась в соответствующих условиях (закалка и отпуск) и чтобы условия процесса были тщательно выбраны.
    Основным преимуществом лазерной закалки является повышение износостойкости. В результате абразивный износ значительно снижается.Поверхности, закаленные лазером, имеют более высокую твердость, чем абразивная среда, в то время как на адгезионный износ также можно влиять за счет снижения коэффициента трения. Кроме того, лазерное упрочнение может улучшить усталостные характеристики поверхностей за счет увеличения сжимающего напряжения, которое сдвигает несущую способность на уровень, превышающий приложенное напряжение по Герцу.

    Лазерная закалка нагревается | Laser Focus World

    Мощные прямые диодные лазеры имеют преимущества перед CO 2

    Лазеры используются в термообработке более 30 лет; тем не менее, различные практические и связанные с стоимостью ограничения действовали, чтобы сохранить это нишевое приложение.Теперь мощные диодные лазеры прямого действия предлагают решение, которое преодолевает недостатки предыдущей технологии, обещая существенное расширение этого рынка.

    Обычная термическая обработка

    Термическая обработка или цементация — это процесс, используемый во многих отраслях промышленности для улучшения характеристик износа и продления срока службы стальных деталей, таких как режущие инструменты и опорные поверхности валов. Термическая обработка включает в себя нагрев, а затем быстрое охлаждение (называемое закалкой) детали. Это изменяет кристаллическую структуру стали за счет включения углерода таким образом, что решетка становится более твердой, чем обычно, при комнатной температуре.При промышленном цементировании целью является упрочнение только тонкого внешнего слоя. Сыпучий материал сохраняет свою первоначальную кристаллическую форму, более гибкую, менее хрупкую и более пластичную. Поскольку закалка обычно выполняется после того, как деталь была сформирована по размеру, в идеале она не должна приводить к физическому искажению формы детали. (Примечание редактора: читателям рекомендуется прочитать «Упрощенная лазерная термическая обработка», рекомендуемую статью на веб-сайте ILS, www.industrial-lasers.com.)

    Закалка шпоночного паза на валу.

    В общем, различные традиционные (не лазерные) методы можно разделить на две большие категории, а именно: методы диффузии и методы селективного упрочнения. В диффузионных технологиях, таких как науглероживание, азотирование и карбонитрирование, низкоуглеродистая сталь нагревается в объеме при контакте с внешним источником углерода или других элементов. Они диффундируют в поверхностный слой, а затем деталь быстро охлаждается в жидкости.

    Избирательная закалка обычно выполняется для сталей, которые уже содержат достаточно свободного углерода для получения желаемой твердости при интеграции в кристаллическую решетку стали.В этом случае к детали применяется локальный поверхностный нагрев, обычно с использованием пламени или электрической индукции, чтобы повысить температуру желаемой области с последующим гашением.

    Лазерные методы

    Лазерная термообработка является еще одним методом селективного упрочнения, при котором пространственно четко определенный пучок лазерного света поглощается вблизи поверхности, вызывая быстрый нагрев. Этот нагрев ограничивается освещаемой площадью, и проникновение в сыпучий материал ограничено. Часто сыпучий материал действует как поглотитель тепла для отвода тепла от поверхности, что обеспечивает самозатухание.

    Возможность точного определения области облучения, а также короткое время передачи энергии материалу определяют основные преимущества лазерной термообработки. В частности, преимущества включают быструю обработку, точный контроль глубины корпуса/места нанесения и минимальную деформацию детали.

    Лазерная закалка устраняет некоторые недостатки традиционных методов. Например, закалка пламенем ограничена плохой воспроизводимостью, плохими характеристиками гашения и экологическими проблемами.В результате закалка пламенем наиболее подходит для компонентов среднего и большого размера. Индукционная закалка обычно приводит к более глубокому термическому проникновению, поэтому требуется активная закалка водой, что может привести к нежелательным и неконтролируемым искажениям. Процесс лазерной термообработки также намного проще в разработке и обслуживании, чем индукционная закалка, благодаря его способности легко ограничивать нагрев облучаемой области и достигать механически недоступных областей. Это позволяет легко применять лазер для обработки деталей широкого диапазона размеров и форм без необходимости использования специальных катушек, специально разработанных для каждой геометрии детали.

    Учитывая эти преимущества, почему лазеры не проникли на рынок термообработки более глубоко? Большая часть лазерной закалки была выполнена с помощью лазеров CO 2 . Хотя это отличные инструменты для широкого круга задач, требующих очень интенсивной чрезвычайно локализованной энергии — например. резка, сварка и сверление — они часто не соответствуют требованиям термообработки. Одна из проблем заключается в том, что выходная длина волны 10,6 мкм плохо поглощается практически любой сталью или другим металлом.В результате поверхности для термообработки лазером СО 2 должны быть предварительно «окрашены» поглощающим покрытием. Кроме того, инфракрасный выход CO 2 не может передаваться по оптоволокну, что ограничивает доступ.

    Прямые диодные лазеры

    В течение последних нескольких лет постоянно улучшаются выходная мощность, надежность и стоимостные характеристики

    РИСУНОК 2. Верхняя и нижняя поверхности канавки поршневого кольца имеют подверглись выборочной термообработке для повышения износостойкости.

    Мощные прямые диодные лазеры сделали их привлекательной альтернативой для лазерной закалки. Существенным преимуществом является то, что их излучение в ближней инфракрасной области (обычно 808 нм или 975 нм) более эффективно поглощается сталью, чем 10,6 мкм, что устраняет необходимость в поглощающих покрытиях и связанные с ними проблемы стоимости и соблюдения экологических требований.

    Форма и размер луча прямых диодных лазеров являются еще одним преимуществом. В большинстве случаев применения лазерной закалки лазерный луч освещает площадь, меньшую, чем общая обрабатываемая площадь.Таким образом, либо заготовка, либо луч перемещаются для достижения полного охвата. Диодные лазеры естественным образом выдают расширенную форму луча, которая хорошо соответствует по размеру и распределению интенсивности для многих задач по упрочнению и может быть легко изменена в соответствии с размерными требованиями конкретной задачи. Кроме того, ближний инфракрасный выход прямого диодного лазера может быть легко передан по оптоволокну, что обеспечивает невероятную гибкость процесса.

    Электрический КПД (преобразование входной электрической энергии в полезный световой поток) диодного лазера примерно в три-четыре раза выше, чем у CO 2 лазера.Это напрямую связано с более низкими эксплуатационными расходами. Кроме того, диодный лазер имеет возможность мгновенного включения, что исключает энергопотребление в режиме ожидания. Еще большая экономия достигается за счет снижения затрат на техническое обслуживание, которые для диодного лазера на несколько порядков меньше, чем для лазеров CO 2 . Время простоя на техническое обслуживание также сведено к минимуму, поскольку физически компактный диодный лазер можно заменить быстрее, чем более громоздкие лазеры на CO 2 , а замену можно даже доставить курьерской службой в ночное время.

    Диодный лазер также предлагает упрощенную интеграцию. Их небольшой размер облегчает интеграцию диодных лазеров в обрабатывающее оборудование с ЧПУ, так что процесс закалки может выполняться сразу после обработки, даже в пределах одного и того же комбинированного станка.

    Applications

    Titanova (Сент-Луис, штат Миссури) является контрактным производителем, который специализируется на услугах, не связанных с резкой, на основе прямых диодных лазеров, в частности, на термообработке, наплавке, восстановлении и сварке в режиме проводимости.«Прямая термообработка диодным лазером особенно полезна, когда деталь имеет определенную ограниченную площадь поверхности, которую необходимо закалить, например, верхнюю часть зуба шестерни, или если область, подлежащая закалке, труднодоступна, например, нижняя часть. узкого цилиндра», — объясняет основатель и президент Titanova Джон Хааке. «Этот процесс также особенно экономичен при работе с высокоточными деталями, на которые может негативно повлиять механическая деформация, возникающая при использовании традиционных методов термообработки.”

    РИСУНОК 3. Диодный лазер прямого действия компактен и прост в развертывании, что позволяет обрабатывать большие детали или труднодоступные места. Здесь речь идет о термообработке зоны контакта подшипника на шпинделе колеса

    Типичным примером последних являются приводные валы, используемые в различных машинах.Часто различные области подшипников на этих валах должны быть закалены для улучшения характеристик износа, но очень важно, чтобы часть форма должна быть сохранена, иначе вал будет разбалансирован при вращении.Titanova успешно выполнила селективную термообработку приводных валов для производителя оборудования для балансировки шин. Раньше это делалось с помощью индукционной закалки и требовало последующей шлифовки и гибки вала для восстановления формы.

    Titanova также занимается термообработкой канавок поршневых колец двигателя для производителя строительной техники. Ранее это выполнялось с помощью лазеров CO 2 ; однако было обнаружено, что как только черное покрытие сгорает с детали, луч CO 2 будет отражаться и производить некоторую термообработку не той области детали.Эта проблема не возникает при использовании диодов ближнего ИК-диапазона, которые намного легче поглощаются материалом.

    У компании Titanova есть несколько клиентов, которым требуется термическая обработка относительно недорогих деталей в малых и средних количествах (менее 50 000 в год). Примерами являются различные станки и компоненты двигателей. В некоторых случаях термическая обработка этих продуктов в прошлом с использованием других методов была просто нерентабельной из-за трудозатрат, необходимых для подготовки (окраски) или последующей обработки.Хааке отмечает: «Мощные прямые диодные лазеры расширяют доступный рынок в этих случаях, делая термообработку рентабельным и технически осуществимым процессом, которого раньше не было».

    Кит Паркер-старший — менеджер по развитию бизнеса, прямые диодные системы в Coherent Inc.

  • Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.