Тепловой механизм воздействия лазерного излучения на поры в поверхностном слое металлических сплавов

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

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. 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.

1. 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.

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.

3. 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.

4. 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.

5. Сафронов И. С. Закономерности формирования механических свойств аморфнонанокристаллических металлических сплавов, обработанных лазерными импульсами наносекундной длительности: монография. Саратов: АйПиАрМедиа, 2019. 144 с.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. Глезер А. М., Шурыгина Н. А. Аморфно-нанокристаллические сплавы. М.: Физматлит, 2013. 452 с.

17. Гочжун Ц., Ван И. Наноструктуры и наноматериалы. Синтез, свойства и применение. М.: Научный мир, 2012. 515 с.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.