techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университетtechusgu-94Research ArticleФИЗИКАPHYSICSТепловой механизм воздействия лазерного излучения на поры в поверхностном слое металлических сплавовThermal Mechanism of The Influence of Laser Radiation on the Pores in the Surface Layer of Metallic AlloysСимоновЮ. В.SimonovYu. V.

Симонов Юрий Владимирович, аспирант,  ассистент кафедры физики

Ленинский проспект 4, г. Москва 119049

Yuri V. Simonov, Post-Graduate Student, Assistant of the Department of Physics

4 Leninsky aven., Moscow 119049

simonov.yuv@mail.ruУшаковИ. В.UshakovI. V.

Ушаков Иван Владимирович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой  физики

Ленинский проспект 4, г. Москва 119049

Researcher ID: I-9828-2017

Ivan V. Ushakov, Dr. of Sci. (Engineering), Professor, Head of the Department of Physics

4 Leninsky aven., Moscow 119049

ushakoviv@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1231-7411ДьяковИ. А.

Дьяков Игорь Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Информационные процессы и управление»; доцент кафедры физики

ул. Советская  106, г. Тамбов 392000

Ленинский проспект 4, г. Москва 119049

 

nanogalvanotech@mail.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS”Russian FederationТамбовский государственный технический университет; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияTambov State Technical University; National University of Science and Technology “MISIS”Russian Federation2021290420231137792Copyright © Симонов Ю.В., Ушаков И.В., Дьяков И.А., 20232023Симонов Ю.В., Ушаков И.В., Дьяков И.А.Simonov Y.V., Ushakov I.V., Дьяков И.А.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/94Цель исследования

Цель исследования. Селективная лазерная обработка является перспективным методом формирования механических свойств поверхностного слоя металлических сплавов. Селективность лазерной обработки проявляется в преимущественном воздействии ударной волны и теплового фронта на дефектные области. В результате в дефектных областях идут процессы релаксации механических напряжений, в то время как бездефектный материал не претерпевает существенных изменений. Это позволяет улучшить механические характеристики материала при сохранении его структурного состояния в целом. Дальнейшее развитие метода селективной лазерной обработки требует изучения теплового механизма воздействия лазерного излучения на дефектные области. Целью работы является исследование взаимодействия теплового фронта, инициированного лазерным импульсом, с дефектами поверхностного слоя металлического сплава.

Методы

Методы. Исследовали распространение теплового фронта в поверхностном слое титанового сплава, содержащего систему пор, методом конечных разностей, с помощью компьютерного моделирования. 

Результаты

Результаты. Предложена модель взаимодействия теплового фронта с системой из трёх пор, расположенной параллельно поверхности образца. Разработанная модель может быть использована для выявления специфики взаимодействия волны прогрева с различными дефектами. Специфика теплового механизма воздействия короткоимпульсного лазерного излучения на поры в поверхностном слое металлических сплавов проявляется в искажении теплового фронта и неравномерности прогрева материала. 

Заключение

Заключение. Неравномерность прогрева материала проявляется, в первую очередь, в дефектных областях и может приводить к релаксации напряжений за счёт пластического деформирования нагретого материала. Имеющиеся экспериментальные данные, полученные на образцах, подвергнутых селективной лазерной обработке, свидетельствуют об одновременном увеличении микротвёрдости поверхностного слоя в полтора раза и стойкости к формированию трещин в условиях локального нагружения.

Purpose

Purpose. Selective laser treatment is a promising method for creation the mechanical properties of the surface layer of metal alloys. The selectivity of laser processing is manifested in the predominant effect of the shock wave and the heat front on the defective areas. As a result, mechanical stress relaxation processes occur in the defective areas, while the defect-free material does not undergo significant changes. This makes it possible to improve the mechanical characteristics of the material while maintaining its initial structural state as a whole. Further development of the method of selective laser processing requires investigation the thermal mechanism of the effect of laser radiation on defective areas. The aim of the work is to investigate the interaction of the thermal front initiated by a laser pulse with defects in the surface layer of a metal alloy.

Methods

Methods. The propagation of a thermal front in the surface layer of a titanium alloy containing a pore system was studied by the finite difference method and using computer modeling.

Results

Results. A model of the interaction of the heat front with a system of three pores located parallel to the sample surface is proposed. The developed model can be used to identify the specifics of the interaction of the heating wave with various defects. The specificity of the thermal mechanism of the effect of short-pulse laser radiation on the pores in the surface layer of metal alloys is manifested in the distortion of the thermal front and the non-uniform heating of the material.

Conclusion

Conclusion. The non-uniform heating of the material manifests itself, first of all, in the defective areas and can lead to stress relaxation due to plastic deformation of the heated material. The available experimental data obtained on samples subjected to selective laser treatment indicate a simultaneous increase in the microhardness of the surface layer and resistance to crack formation in condition of local loading conditions.

прогрев поверхностимоделированиеселективная обработкапорыповерхностный слойsurface heatingmodelingselective treatmentporessurface layerИсследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-33-90039.The authors are sincerely grateful to Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor D. M. Levin for constructive criticism, valuable advice and useful discussions.ReferencesDowden J., Schulz W. The theory of laser materials processing // Heat and mass transfer in modern technology. Second ed. Cham: Springer Series in Materials Science. 2017. 432 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-56711-2.Dowden J., Schulz W. The theory of laser materials processing. heat and mass transfer in modern technology. Second ed. Cham, Springer Series in Materials Science, 2017. 432 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-56711-2.Капуткин Д. Е., Дураджи В. Н., Капуткина Н. А. Ускоренное диффузионное насыщение поверхности металлов при электро-химико-термической обработке // Физика и химия обработки материалов. 2020. № 2. С. 48–57. https://doi.org/10.30791/00153214-2020-2-48-57.Kaputkin D. E., Duradji V. N., Kaputkina N. A. Uskorennoye diffuzionnoye nasyshcheniye poverkhnosti metallov pri elektro-khimiko-termicheskoy obrabotke [Accelerated diffusion saturation of the metal surface during electro-chemical-thermal treatment]. Fizika i khimiya obrabotki materialov = Physics and chemistry of materials processing, 2020, no. 2, pp. 48–57. https://doi.org/10.30791/0015-3214-2020-2-48-57.Степанов М. С., Давидян Л. В., Домбровский Ю. М. Структура, фазовый состав и свойства стали после микродугового борохромирования и боромолибденирования // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2018. № 3 (213). С. 124–131.Stepanov M.S., Davidyan L.V., Dombrovsky Yu.M. Struktura, fazovyy sostav i svoystva stali posle mikrodugovogo borokhromirovaniya i boromolibdenirovaniya [Structure, phase composition and properties of steel after microarc boron chromium plating and boron molybdenum plating]. Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Bulletin of the Volgograd State Technical University, 2018, no. 3 (213), pp. 124–131.Влияние технологических параметров газопорошковой лазерной наплавки на структурные характеристики восстановленного поверхностного слоя корозионностойких сталей / С. Е. Крылова, С. П. Оплеснин, Н. А. Манаков, А. С. Ясаков, А. О. Стрижов // Металловедение и термическая обработка металлов. 2017. № 10 (748). С. 35–40.Krylova S. E., Oplesnin S. P., Manakov N. A., Yasakov A. S., Strizhov A. O. Vliyaniye tekhnologicheskikh parametrov gazoporoshkovoy lazernoy naplavki na strukturnyye kharakteristiki vosstanovlennogo poverkhnostnogo sloya korozionnostoykikh staley [Influence of technological parameters of gas-powder laser surfacing on the structural characteristics of the restored surface layer of corrosion-resistant steels]. Metallovedeniye i termicheskaya obrabotka metallov = Metal Science and Heat Treatment metals, 2017, no. 10 (748), pp. 35–40.Сафронов И. С. Закономерности формирования механических свойств аморфнонанокристаллических металлических сплавов, обработанных лазерными импульсами наносекундной длительности: монография. Саратов: АйПиАрМедиа, 2019. 144 с.Safronov I. S. Zakonomernosti formirovaniya mekhanicheskikh svoystv amorfnonanokristallicheskikh metallicheskikh splavov, obrabotannykh lazernymi impul'sami nanosekundnoy dlitel'nosti [Regularities of the formation of mechanical properties of amorphousnanocrystalline metal alloys treated with laser pulses of nanosecond duration]. Saratov, IPR Media Publ., 2019. 144 p.Ushakov I. V., Simonov Yu. V. Formation of surface properties of VT18u titanium alloy by laser pulse treatment // Materials Today: Proceedings. 2019. Vol. 19 (5). P. 2051– 2055. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.07.072.Ushakov I. V., Simonov Yu. V. Formation of surface properties of VT18u titanium alloy by laser pulse treatment. Materials Today: Proceedings, 2019, vol. 19 (5), pp. 2051– 2055. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.07.072.Симонов Ю. В., Ушаков И. В. Механические свойства поверхностных структур титанового сплава ВТ9 после многократной локальной обработки наносекундными лазерными импульсами // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. 2020. № 2. С. 19–35. https://doi.org/10.18384/23107251-2020-2-19-35.Simonov Yu. V., Ushakov I. V. Mekhanicheskiye svoystva poverkhnostnykh struktur titanovogo splava VT9 posle mnogokratnoy lokal'noy obrabotki nanosekundnymi lazernymi impul'sami [Mechanical properties of surface structures of titanium alloy VT9 after repeated local processing with nanosecond laser pulses]. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo oblastnogo universiteta. Seriya: Fizika-Matematika = Bulletin of Moscow Region State University. Series: Physics-Mathematics. 2020, no. 2, pp. 19–35. https://doi.org/10.18384/23107251-2020-2-19-35.Densification, microstructure, and mechanical properties of additively manufactured 2124 Al–Cu alloy by selective laser melting / J. Deng, C. Chen, W. Zhang, Y. Li, R. Li, K. Zhou // Materials. 2020. Vol. 13(19). Р. 4423. https://doi.org/10.3390/ma13194423.Deng J., Chen C., Zhang W., Li Y., Li R., Zhou K. Densification, microstructure, and mechanical properties of additively manufactured 2124 Al–Cu Alloy by selective laser melting. Materials, 2020, vol. 13(19), pp. 4423. https://doi.org/10.3390/ma13194423.Microstructural features of Sc- and Zr-modified Al-Mg alloys processed by selective laser melting / A. B. Spierings, K. Dawson, T. Heeling, P. J. Uggowitzer, R. Schaublin, F. Palm, K. Wegener // Materials and Design. 2017. Vol. 115. P. 52–63. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.11.040.Spierings A. B., Dawson K., Heeling T., Uggowitzer P. J., Schaublin R., Palm F., Wegener K. Microstructural features of Sc- and Zr-modified Al-Mg alloys processed by selective laser melting. Materials and Design, 2017, vol. 115, pp. 52–63. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.11.040.Effect of aging treatment on the microstructure and mechanical properties of Al-3.02Mg-0.2Sc-0.1Zr alloy printed by selective laser melting / R. Li, H. Chen, H. Zhu, M. Wang, C. Chen, T. Yuan // Materials and Design. 2019. Vol. 168. Р. 107668. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107668.Li R., Chen H., Zhu H., Wang M., Chen C., Yuan T. Effect of aging treatment on the microstructure and mechanical properties of Al-3.02Mg-0.2Sc-0.1Zr alloy printed by selective laser melting. Materials and Design, 2019, vol. 168, рр. 107668. https://doi.org/10.1016/j.matdes. 2019.107668.Селективное лазерное плавление интерметаллидного титанового сплава / А. А. Попович, В. Ш. Суфияров, И. А. Полозов, А. В. Григорьев // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2018. № 1. С. 26–35. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2018-1-26-35.Popovich A. A., Sufiyarov V. Sh., Polozov I. A., Grigoriev A. V. Selektivnoye lazernoye plavleniye intermetallidnogo titanovogo splava [Selective laser melting of intermetallic titanium alloy]. Izvestiya vuzov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsional'nyye pokrytiya = Proceedings of Higher Educational Institutions. Powder Metallurgy and Functional Coatings, 2018, no. 1, pp. 26–35. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2018-1-26-35.The influence of heat treatment temperature on microstructures and mechanical properties of titanium alloy fabricated by laser melting deposition / W. Wang, X. Xu, R. Ma, G. Xu, W. Liu and F. Xing // Materials. 2020. Vol. 13(18). Р. 4087. https://doi.org/10.3390/ma13184087.Wang W., Xu X., Ma R., Xu G., Liu W. and Xing F. The influence of heat treatment temperature on microstructures and mechanical properties of titanium alloy fabricated by laser melting deposition. Materials, 2020, vol. 13 (18), pp. 4087. https://doi.org/10.3390/ma13184087.Li W., Zhou Z. Research on ultrasonic array testing methods of laser additivemanufacturing titanium alloy // Journal of Mechanical Engineering. 2020. Vol. 56(8). P. 141–147. https://doi.org/10.3901/JME.2020.08.141.Li W., Zhou Z. Research on ultrasonic array testing methods of laser additivemanufacturing titanium alloy. Journal of Mechanical Engineering, 2020, vol. 56(8), pp. 141– 147. https://doi.org/10.3901/JME.2020.08.141.Formation of residual stresses in the surface layers of titanium alloy targets irradiated with high-current pulsed electron beams / V. A. Shulov, I. G. Steshenko, D. A. Teryaev, Yu. A. Perlovich, M. G. Isaenkova, V. A. Fesenko // Inorganic Materials: Applied Research. 2019. Vol. 10(3). P. 529–531. https://doi.org/10.1134/S2075113319030407.Shulov V. A., Steshenko I. G., Teryaev D. A., Perlovich Yu. A., Isaenkova M. G., Fesenko V. A. Formation of residual stresses in the surface layers of titanium alloy targets irradiated with high-current pulsed electron beams. Inorganic Materials: Applied Research, 2019, vol. 10(3), pp. 529–531. https://doi.org/10.1134/S2075113319030407.Texture formation in the surface layer of VT6 alloy targets irradiated by intense pulsed electron beams / V. A. Shulov, A. N. Gromov, D. A. Teryaev, Y. A. Perlovich, M. G. Isaenkova, V. A. Fesenko // Inorganic Materials: Applied Research. 2017. Vol. 8(3). P. 387–391. https://doi.org/10.1134/S2075113317030212.Shulov V. A., Gromov A. N., Teryaev D. A., Perlovich Yu. A., Isaenkova M. G., Fesenko V. A. Texture formation in the surface layer of VT6 alloy targets irradiated by intense pulsed electron beams. Inorganic Materials: Applied Research, 2017, vol. 8(3), pp. 387–391. https://doi.org/10.1134/S2075113317030212.Глезер А. М., Шурыгина Н. А. Аморфно-нанокристаллические сплавы. М.: Физматлит, 2013. 452 с.Glezer A. M., Shurygina N. A. Amorfno-nanokristallicheskiye splavy [Amorphnonanocrystalline alloys]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2013. 452 p.Гочжун Ц., Ван И. Наноструктуры и наноматериалы. Синтез, свойства и применение. М.: Научный мир, 2012. 515 с.Guozhong Ts., Wang I. Nanostruktury I nanomaterialy. Sintez, svoystva i primeneniye [Nanostructures and nanomaterials. Synthesis, properties and application]. Moscow, Nauchnyi mir Publ., 2012. 515 p.Абросимова Г. Е. Эволюция структуры аморфных сплавов // Успехи физических наук. 2011. Т. 181, № 12. С. 1265–1281. https://doi.org/10.3367/UFNr.0181.201112b.1265.Abrosimova G. E. Evolyutsiya struktury amorfnykh splavov [Evolution of the structure of amorphous alloys]. Uspekhi fizicheskikh nauk = Physics-Uspekhi (Advances in Physical Sciences), 2011, vol. 181, no. 12, pp. 1265–1281. https://doi.org/10.3367/UFNr.0181.201112b.1265.Laser shock peening and its applications: a review / R. Sundar, P. Ganesh, R. Kishor Gupta, G. Ragvendra, B. K. Pant, K. Vivekanand, K. Ranganathan, K. Rakesh, K. S. Bindra // Lasers in Manufacturing and Materials Processing. 2019. Vol. 6. P. 424–463. https://doi.org/10.1007/s40516-019-00098-8.Sundar R., Ganesh P., Gupta R. K., Ragvendra G., Pant B. K., Vivekanand K., Ranganathan K., Rakesh K., Bindra K. S. Laser shock peening and its applications: a review. Lasers in Manufacturing and Materials Processing, 2019, vol. 6, pp. 424–463. https://doi.org/10.1007/s40516-019-00098-8.Antony K., Clint T. C., Rakeshnath T. R. Study of porosity and build rate of the selective laser melting (SLM) of titanium and its statistical modelling for optimization // Lasers in Engineering. 2020. Vol. 47, is. 1-3. P. 95–111.Antony K., Clint T. C., Rakeshnath T. R. Study of porosity and build rate of the selective laser melting (SLM) of titanium and its statistical modelling for optimization. Lasers in Engineering, 2020, vol. 47(1-3), pp. 95–111.Laser powder-bed fusion additive manufacturing: Physics of complex melt flow and formation mechanisms of pores, spatter, and denudation zones / S. A. Khairallah, A. T. Anderson, A. Rubenchik, W. E. King // ActaMaterialia. 2016. Vol. 108(16). P. 36–45. http://dx.doi.org/10.1016/j.actamat.2016.02.014.Khairallah S. A., Anderson A. T., Rubenchik A., King W. E. Laser powder-bed fusion additive manufacturing: Physics of complex melt flow and formation mechanisms of pores, spatter, and denudation zones. Acta Materialia, 2016, vol. 108(16), pp. 36–45. http://dx.doi.org/10.1016/j.actamat.2016.02.014.Компьютерное моделирование процессов переноса и деформаций в сплошных средах / В. Е. Анкудинов, Д. Д. Афлятунова, М. Д. Кривилев, Г. А. Гордеев. Ижевск: Изд-во «Удмуртский университет», 2014. 108 с.Ankudinov V. E., Aflyatunova D. D., Krivilev M. D., Gordeev G. A. Komp'yuternoye modelirovaniye protsessov perenosa i deformatsiy v sploshnykh sredakh [Computer modeling of transfer and deformation processes in continuous media]. Izhevsk, Udmurtsk Univ. Publ., 2014. 108 p.Purin M., Zakharevich A., Gutareva N. Mathematical modeling of melting during laser heating of metal plate // MATEC Web of Conferences. 2017. Vol. 110. Р. 01070. https://doi.org/10.1051/matecconf/201711001070.Purin M., Zakharevich A., Gutareva N. Mathematical modeling of melting during laser heating of metal plate. MATEC Web of Conferences, 2017, vol. 110, pp. 01070. https://doi.org/10.1051/matecconf/201711001070.Распространение теплового потока через материалы с шаровой полостью / А. И. Шарапов, А. А. Черных, А. Г. Ярцев, А. В. Пешкова // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2019. Т. 9, № 1 (30). С. 49‒55.Sharapov A. I., ChernykhA. A., Yartsev A. G., Peshkova A. V. Rasprostraneniye teplovogo potoka cherez materialy s sharovoy polost'yu [Distribution of heat flow through materials with a spherical cavity]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology. 2019, vol. 9, no. 1 (30), pp. 49‒55.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.