Механизм избирательного воздействия лазерного импульса на трехмерные дефекты в поверхностном слое титанового сплава

Металлургия и материаловедение

2024. Т. 31. № 4. С. 197-208.

Авторы

Сафронов И. С.1, 2*, Ушаков А. И.2**

1. Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Ленинский проспект, 4, Москва, 119991, Россия
2. Московский технический университет связи и информатики, МТУСИ, ул. Авиамоторная, 8а, Москва, 111024, Россия

*e-mail: issafronov@yandex.ru
**e-mail: ushakov_a_i@mail.ru

Аннотация

Эксплуатационные свойства изделий авиационной техники, изготовленных из титановых сплавов, в значительной степени определяются свойствами поверхностного слоя. В статье рассматривается экспериментально установленный эффект одновременного повышения нанотвердости и стойкости к растрескиванию поверхности титанового сплава марки ВТ18у в результате селективного лазерного воздействия. Теоретически исследован механизм изменения состояния объемных дефектов в поверхностном слое твердого вещества в условиях ударного сжатия и кратковременного высокотемпературного прогрева под воздействием наносекундного лазерного импульса и лазерной плазмы. Проведено моделирование дефектной структуры, что позволило определить закономерности избирательного прогрева материала вблизи нанопор, а также влияние системы нанопор на специфику распространения изотерм. На основании полученных результатов предложена модель залечивания объемных дефектов, находящихся в поверхностном слое образца, периодическим кратковременным переводом поверхности материала в экстремальные условия. Экспериментальные исследования позволяют проверить соответствие теоретических предположений реальным данным. Полученные теоретические и экспериментальные результаты актуальны для физического материаловедения и расширяют представление о возможностях методов лазерной обработки металлических сплавов с объемными дефектами, расположенными в тонком поверхностном слое. Основанный на исследуемом эффекте способ может найти применение на стадии финишной обработки поверхности титановых лопаток газотурбинных двигателей.

Ключевые слова:

селективный лазерный импульс, ударное сжатие, объемные дефекты, нанотвердость, залечивание дефектов

Библиографический список

  1.  Дмитриева М.О., Мельников А.А., Носова Е.А. и др. Исследование формирования микроструктуры титанового сплава ВТ6 при изготовлении крыльчатки компрессора малоразмерного газотурбинного двигателя методами аддитивных технологий // Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30. № 2. С. 196–203. DOI: 10.34759/vst-2023-2-196-203
  2.  Григорьев С.Н., Волосова М.А., Мигранов М.Ш., Гусев А.С. Эффективность наноструктурированных износостойких покрытий при высокоскоростном фрезеровании титановых сплавов // Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30. № 2. С. 188–195. DOI: 10.34759/vst-2023-2-188-195
  3. Брыкин В.А., Рипецкий А.В., Коробов К.С. Исследование пористости, морфологии микроструктуры и механических характеристик изделий, полученных селективной лазерной плавкой порошка сплава AlSi10Mg // Вестник Московского авиационного института. 2024. Т. 31. № 2. С. 193–205. URL: https://vestnikmai.ru/publications.php?ID=180662
  4.  Маркидонов А.В., Старостенков М.Д., Гостевская А.Н. и др. Молекулярно-динамическое моделирование уменьшения пористости поверхностного слоя ОЦК-кристалла, вызванной воздействием лазерных импульсов // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2023. Т. 20. № 2. С. 168–175. DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2023.02.003
  5.  Ушаков И.В. Физика деформирования и разрушения кристалла исландского шпата при выделении энергии в объеме образца // Прикладная математика & Физика. 2024. Т. 56. № 3. С. 234–240. DOI: 10.52575/2687-0959-2024-56-3-234-240
  6. Ushakov I.V., Safronov I.S. Directed changing properties of amorphous and nanostructured metal alloys with help of nanosecond laser impulses // CIS Iron and Steel Review. 2021. Vol. 22. No. 2, pp. 77–81. DOI: 10.17580/cisisr.2021.02.14
  7. Chichenev N.A., Gorbatyuk S.M., Naumova M.G., Morozova I.G. Using the similarity theory for description of laser hardening processes // CIS Iron and Steel Review. 2020. Vol. 19. No. 1, pp. 44–47. DOI: 10.17580/cisisr.2020.01.09
  8. Петрова Л.Г., Белашова И.С. Оценка твердорастворного упрочнения аустенитных сплавов при легировании азотом // Вестник Московского авиационного института. 2022. Т. 29. № 1. С. 245–252. DOI: 10.34759/vst-2022-1-245-252
  9. Kaputkina L.M., Kaputkin D.E. Structure and phase transformations under quenching and tempering during heat and thermomechanical treatment of steels // Materials Science Forum. 2003. Vol. 426-432, pp. 1119–1126. DOI:10.4028/www.scientific.net/MSF.426-432.1119
  10. Швецов А.Н., Скуратов Д.Л. Влияние параметров процесса алмазного выглаживания на качество поверхностного слоя деталей при производстве изделий авиационной техники // Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30. № 4. С. 220–231. URL: https://vestnikmai.ru/publications.php?ID=177623
  11. Ushakov I.V., Safronov I.S., Oshorov A.D. et al. Physics of the Effect of High-Temperature Pulse Heating On Defects in the Surface Layer of a Metal Alloy // Metallurgist. 2023. Vol. 67, pp. 74–79. DOI: 10.1007/s11015-023-01588-z
  12. Duan Xi., Long T., Zhu K. et al. Formation mechanism of pore defects and surface ripples under different process parameters via laser powder bed fusion by numerical simulation and experimental verification // Research Square. 2023. DOI: 10.21203/rs.3.rs-2844063/v1
  13. Betekhtin V.I., Kadomtsev A.G., Larionova T.V. et al. Effect of Thermobaric Treatment on the Nanoporosity and Properties of Amorphous Alloys // Metal Science and Heat Treatment. 2015. Vol. 56(9–10), pp. 555–558. DOI: 10.1007/s11041-015-9798-1
  14. Абросимова Г.Е. Эволюция структуры аморфных сплавов // Успехи физических наук. 2011. Т. 181. № 12. С. 1265–1281. DOI: 10.3367/UFNr.0181.201112b.1265
  15. Wang Z., Ummethala R., Singh N. et al. Selective Laser Melting of Aluminum and Its Alloys // Materials. 2020. Vol. 13. No. 20: 4564. DOI: 10.3390/ma13204564
  16. Betekhtin V.I., Veselkov S.Yu., Dal Yu.M., Kadomtsev A.G. Theoretical and experimental investigation of the effect of an applied load on pores in solids. Physics of the Solid State. 2003. Vol. 45. No. 4, pp. 649–655. DOI:10.1134/1.1569000
  17. Markidonov A.V., Gostevskaya A.N., Gromov V.E. et al.  Simulation of the Structural Changes in the Surface Layer of a Deformed BCC Crystal during a Short-Term External High-Intense Action // Russian Metallurgy (Metally). 2022. No. 10, pp. 1090–1095. DOI: 10.1134/S0036029522100305
  18. Markidonov A.V., Starostenkov M.D., Lubyanoi D.A. et al. Modeling of Healing Cylindrical Cavities Exposed to Shock Waves in Crystal Subjected to Shear Deformation // Steel in Translationthis. 2022. Vol. 52. No. 2, pp. 208–214. DOI: 10.3103/S0967091222020127
  19. Мальцев П.П. (ред.). Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника: мировые достижения за 2005 год: Сборник. – М.: Техносфера, 2006. – 149 с.
  20. Smallman R.E., Ngan A.H.W. Physical Metallurgy and Advanced Materials. 7th ed. Butterworth-Heinemann, 2011. – 672 p.
  21. Ushakov I., Simonov Y. Formation of surface properties of VT18u titanium alloy by laser pulse treatment // Materials Today: Proceedings. 2019. Vol. 19. Part 5, pp. 2051–2055. DOI: 10.1016/j.matpr.2019.07.072
  22. Wang H.-X., Chen X. Three-dimensional modelling of the laser-induced plasma plume characteristics in laser welding // Journal of Physics D: Applied Physics. 2003. Vol. 36. No. 6, pp. 628–639. DOI: 10.1088/0022-3727/36/6/304
  23. Дудоладов С.О., Ларионов Н.В. Условие применения интеграла Крокко при математическом описании плазменного факела при лазерной сварке // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. 2021. Т. 14. № 3. С. 63–78. DOI: 10.18721/JPM.14305
  24. Gladkov S.O., Bogdanova S.B. On the theory of nonlinear thermal conductivity // Technical Physics. 2016. Vol. 61. No. 2, pp. 157–164. DOI: 10.1134/S1063784216020110
  25. Cheilytko A. Finding of the generalized equation of thermal conductivity for porous heatinsulating materials // Technological audit and production reserves. 2016. No. 5/1(31), pp. 4–10. DOI: 10.15587/2312-8372.2016.78688

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2025