Лазерная наклепка ( LP ) или лазерная ударная наклепка ( LSP ) — это процесс поверхностной инженерии , используемый для придания материалам полезных остаточных напряжений . Глубокие, высокоамплитудные остаточные напряжения сжатия, вызванные лазерной наклепкой, повышают устойчивость материалов к поверхностным отказам, таким как усталость , фреттинг- усталость и коррозионное растрескивание под напряжением . Лазерная ударная наклепка может также использоваться для укрепления тонких сечений, упрочнения поверхностей, формования или выпрямления деталей (известное как лазерная наклепка), разрушения твердых материалов, компактирования порошковых металлов и для других применений, где ударные волны высокой длительности и высокого давления обеспечивают желаемые результаты обработки.
Первые научные открытия в области современной лазерной обработки начались в начале 1960-х годов, когда импульсная лазерная технология начала распространяться по всему миру. В раннем исследовании взаимодействия лазера с материалами Гургеном Аскаряном и Э. М. Морозом они задокументировали измерения давления на целевой поверхности с использованием импульсного лазера. [1] Наблюдаемые давления были намного больше, чем могли быть созданы силой одного только лазерного луча . Исследования этого явления показали, что высокое давление возникало в результате импульса импульса, создаваемого испарением материала на целевой поверхности при быстром нагревании лазерным импульсом. На протяжении 1960-х годов ряд исследователей дополнительно определили и смоделировали взаимодействие импульса лазерного луча с материалами и последующее образование волн напряжения. [2] [3] Эти и другие исследования показали, что волны напряжения в материале генерировались из быстро расширяющейся плазмы, создаваемой при ударе импульсного лазерного луча о цель. Впоследствии это привело к интересу к достижению более высоких давлений для увеличения интенсивности волны напряжения. Для создания более высоких давлений необходимо было увеличить плотность мощности и сфокусировать лазерный луч (сконцентрировать энергию), что требовало, чтобы взаимодействие лазерного луча с материалом происходило в вакуумной камере, чтобы избежать пробоя диэлектрика внутри луча в воздухе. Эти ограничения ограничивали изучение взаимодействия высокоинтенсивного импульсного лазера с материалом избранной группой исследователей с высокоэнергетическими импульсными лазерами.
В конце 1960-х годов произошел крупный прорыв, когда NC Anderholm обнаружил, что гораздо более высокие давления плазмы могут быть достигнуты путем ограничения расширяющейся плазмы на поверхности мишени. [4] Anderholm ограничил плазму , поместив кварцевую накладку, прозрачную для лазерного луча, прочно на поверхности мишени. После установки накладки лазерный луч проходил через кварц, прежде чем взаимодействовать с поверхностью мишени. Быстро расширяющаяся плазма теперь была ограничена в пределах интерфейса между кварцевой накладкой и поверхностью мишени. Этот метод ограничения плазмы значительно увеличил результирующее давление, создавая пики давления от 1 до 8 гигапаскалей (от 150 до 1200 ksi), что на порядок больше, чем измерения давления неограниченной плазмы. Значимость открытия Anderholm для лазерной обработки заключалась в демонстрации того, что импульсные взаимодействия лазера с материалом для создания волн напряжения высокого давления могут осуществляться в воздухе, а не ограничиваться вакуумной камерой.
В начале 1970-х годов появились первые исследования эффектов импульсного лазерного облучения в материале мишени. Л.И. Миркин наблюдал двойникование в зернах феррита в стали под кратером, созданным лазерным облучением в вакууме. [5] С.А. Метц и Ф.А. Шмидт-младший облучали фольгу из никеля и ванадия на воздухе импульсным лазером при низкой плотности мощности и наблюдали пустоты и вакансионные петли после отжига фольг, предполагая, что высокая концентрация вакансий была создана волной напряжения. Эти вакансии впоследствии агрегировались во время пострадиационного отжига в наблюдаемые пустоты в никеле и дислокационные петли в ванадии. [6]
В 1971 году исследователи из Battelle Memorial Institute в Колумбусе, штат Огайо, начали изучать, может ли процесс лазерного удара улучшить механические свойства металла с использованием высокоэнергетического импульсного лазера. В 1972 году была опубликована первая документация о полезных эффектах лазерного удара металлов, в которой сообщалось об укреплении образцов алюминия на растяжение с использованием кварцевого покрытия для ограничения плазмы. [7] Впоследствии первый патент на лазерную ударную обработку был выдан Филиппу Маллоцци и Барри Фейранду в 1974 году. [8] Исследования эффектов и возможных применений лазерной ударной обработки продолжались в течение 1970-х и начала 1980-х годов Алланом Клауэром, Барри Фейрандом и их коллегами при поддержке Национального научного фонда , НАСА , Управления исследований армии, ВВС США и внутри Battelle. В этом исследовании более подробно изучены эффекты внутри материала и продемонстрировано создание глубоких сжимающих напряжений и сопутствующее увеличение усталостной и фреттинг-усталостной долговечности, достигаемое посредством лазерной обработки. [9] [10] [11] [12]
Лазерное шоковое воздействие на начальных этапах разработки было сильно ограничено лазерной технологией того времени. Импульсный лазер, используемый Battelle, охватывал одну большую комнату и требовал нескольких минут времени восстановления между лазерными импульсами. [13] Чтобы стать жизнеспособным, экономичным и практичным промышленным процессом, лазерная технология должна была созреть до оборудования с гораздо меньшими габаритами и быть способной к увеличенным частотам лазерных импульсов. В начале 1980-х годов компания Wagner Castings, расположенная в городе Декейтер, штат Иллинойс, заинтересовалась лазерной наклепкой как процессом, который мог потенциально увеличить усталостную прочность чугуна, чтобы конкурировать со сталью, но по более низкой цене. Лазерная наклепка различных чугунов показала скромное улучшение усталостной долговечности, и эти результаты наряду с другими убедили их профинансировать проектирование и строительство предпрототипного импульсного лазера в 1986 году, чтобы продемонстрировать промышленную жизнеспособность процесса. Этот лазер был завершен и продемонстрирован в 1987 году. Хотя технология исследовалась и разрабатывалась около 15 лет, мало кто в промышленности слышал о ней. Поэтому после завершения демонстрационного лазера инженеры Wagner Castings и Battelle начали масштабную маркетинговую кампанию по выводу лазерной обработки на потенциальные промышленные рынки.
Также в середине 1980-х годов Реми Фаббро из Политехнической школы начал программу лазерной ударной наклепа в Париже. Он и Жан Фурнье из компании Peugeot посетили Баттель в 1986 году для расширенного обсуждения лазерной ударной наклепа с Алланом Клауэром. Программы, инициированные Фаббро и продолженные в 1990-х и начале 2000-х годов Патрисом Пейром, Лораном Бертом и их коллегами, внесли большой вклад, как теоретический, так и экспериментальный, в понимание и реализацию лазерной наклепа. [14] [15] [16] В 1998 году они измерили с помощью VISAR ( Velocimeter Interferometer System for Any Reflector ) нагрузки давления в режиме ограничения воды как функцию длины волны. Они демонстрируют пагубное влияние пробоя в воде, ограничивающей максимальное давление на поверхности материала. [17]
В начале 1990-х годов рынок все больше знакомился с потенциалом лазерной ударной обработки для увеличения усталостной долговечности. В 1991 году ВВС США представили инженеров Battelle и Wagner компании GE Aviation для обсуждения потенциального применения лазерной ударной обработки для решения проблемы повреждения посторонними предметами (FOD) лопаток вентилятора в двигателе General Electric F101, установленном на бомбардировщике Rockwell B-1B Lancer . Результаты испытаний показали, что у обработанных лазером лопаток вентилятора, сильно надрезанных после лазерной ударной обработки, такой же усталостный ресурс, как и у новой лопатки. [18] После дальнейшей разработки GE Aviation лицензировала технологию лазерной ударной ударной обработки у Battelle, и в 1995 году GE Aviation и ВВС США приняли решение двигаться вперед с разработкой производства этой технологии. GE Aviation начала производство лазерной ударной обработки лопаток вентилятора F101 в 1998 году.
Потребность в промышленных лазерных системах, необходимых для запуска производства GE Aviation, привлекла несколько членов команды по лазерной ударной наплавке в Battelle, чтобы в 1995 году основать LSP Technologies, Inc. в качестве первого коммерческого поставщика оборудования для лазерной наплавки. Под руководством основателя Джеффа Дулани компания LSP Technologies спроектировала и построила лазерные системы для GE Aviation для выполнения промышленной лазерной наплавки лопаток вентилятора F101. В конце 1990-х и начале 2000-х годов ВВС США продолжали работать с LSP Technologies над совершенствованием производственных возможностей лазерной ударной наплавки и внедрением производственных ячеек. [19]
В середине 1990-х годов, независимо от разработок в области лазерной наклепа, проводимых в Соединенных Штатах и Франции, Юджи Сано из корпорации Toshiba в Японии инициировал разработку системы лазерной наклепа, способной производить лазерную наклепку сварных швов в корпусах высокого давления атомных электростанций для смягчения коррозионного растрескивания под напряжением в этих областях. [20] Система использовала низкоэнергетический импульсный лазер, работающий на более высокой частоте импульсов, чем более мощные лазеры. Лазерный луч вводился в корпуса высокого давления через сочлененные трубки. Поскольку корпуса высокого давления были заполнены водой, процесс не требовал наложения воды на облучаемую поверхность. Однако луч должен был пройти некоторое расстояние через воду, что потребовало использования луча с более короткой длиной волны, 532 нм, для минимизации диэлектрического пробоя луча в воде вместо луча с длиной волны 1054 нм, используемого в Соединенных Штатах и Франции. Кроме того, было непрактично рассматривать возможность использования непрозрачного покрытия. Этот процесс теперь известен как лазерная наклепка без покрытия (LPwC). Его начали применять в японских реакторах с кипящей водой и водой под давлением в 1999 году. [21]
Также в 1990-х годах в Мадридском политехническом университете была сформирована значительная исследовательская группа по лазерному упрочнению Хосе Оканьей. Их работа включает как экспериментальные, так и теоретические исследования с использованием низкоэнергетических импульсных лазеров как без, так и с непрозрачным покрытием. [22] [23]
С крупным прорывом в коммерческом применении лазерной ударной обработки на двигателе F101 для решения крупной эксплуатационной проблемы лазерная ударная обработка привлекла внимание во всем мире. Исследователи во многих странах и отраслях промышленности провели исследования, чтобы расширить понимание процесса лазерной ударной обработки и эффектов свойств материалов. В результате был создан большой объем исследовательских работ и патентов в Соединенных Штатах, Франции и Японии. В дополнение к работам, проводимым в этих странах и Испании, программы лазерной ударной обработки были инициированы в Китае, Великобритании, Германии и ряде других стран. Продолжающийся рост технологии и ее приложений привел к появлению нескольких коммерческих поставщиков лазерной ударной обработки в начале 2000-х годов.
GE Aviation и LSP Technologies были первыми компаниями, которые выполняли лазерную наклепку в коммерческих целях, получив лицензию на технологию от Battelle. GE Aviation выполняла лазерную наклепку для своих компонентов аэрокосмических двигателей, а LSP Technologies продавала услуги и оборудование для лазерной ударной наклепки более широкой промышленной базе. В конце 1990-х годов Metal Improvement Company (MIC теперь является частью Curtis Wright Surface Technologies) объединилась с Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) для разработки собственных возможностей лазерной наклепки. В Японии Toshiba Corporation расширила коммерческое применение своей системы LPwC до реакторов с водой под давлением, а в 2002 году внедрила волоконно-оптическую доставку луча в подводную головку лазерной наклепки. Toshiba также перепроектировала лазер и доставку луча в компактную систему, что позволило вставить всю систему в сосуд под давлением. Эта система была готова к коммерческому использованию в 2013 году [24] MIC разработала и адаптировала лазерную ударную наклепку для формирования форм крыла на Boeing 747-8.
Рост числа промышленных поставщиков и коммерческое подтверждение технологии лазерной наклепа привело к тому, что многие компании стали применять технологию лазерной наклепа для решения и предотвращения проблем. Некоторые из компаний, которые внедрили лазерную наклепку, включают: GE , Rolls-Royce , Siemens , Boeing , Pratt & Whitney и другие.
В 1990-х годах и по сей день разработки лазерной наклепа были нацелены на снижение затрат и увеличение производительности для выхода на рынки за пределами дорогостоящих малосерийных компонентов. Высокие затраты на процесс лазерной наклепа ранее были обусловлены сложностью лазерной системы, скоростью обработки, ручным трудом и применением накладок. Многочисленные текущие достижения, направленные на решение этих проблем, значительно снизили затраты на лазерную наклепку: системы лазерной наклепа разработаны для выполнения надежных операций; частота импульсов лазерных систем увеличивается; рутинные рабочие операции все больше автоматизируются; нанесение накладок автоматизировано во многих случаях. Эти сниженные эксплуатационные затраты лазерной наклепа сделали его ценным инструментом для решения широкого спектра усталостных и связанных с ними задач. [25]
Лазерная наклепка использует динамические механические эффекты ударной волны, передаваемой лазером, для изменения поверхности целевого материала. Она не использует тепловые эффекты. По сути, лазерная наклепка может быть выполнена всего с двумя компонентами: прозрачным покрытием и высокоэнергетической импульсной лазерной системой. Прозрачное покрытие ограничивает плазму, образованную на поверхности мишени лазерным лучом. Также часто бывает полезно использовать тонкое покрытие, непрозрачное для лазерного луча, между водным покрытием и поверхностью мишени. Это непрозрачное покрытие может обеспечить одно или каждое из трех преимуществ: защитить поверхность мишени от потенциально пагубных тепловых эффектов лазерного луча, обеспечить постоянную поверхность для взаимодействия лазерного луча с материалом и, если сопротивление покрытия меньше сопротивления поверхности мишени, увеличить величину ударной волны, входящей в мишень. Однако существуют ситуации, когда непрозрачное покрытие не используется; в процессе Toshiba, LPwC, или где компромисс между сниженной стоимостью и, возможно, несколько сниженным остаточным напряжением поверхности позволяет проводить поверхностную шлифовку или хонингование после лазерной обработки для удаления тонкого термически обработанного слоя.
Процесс лазерной наклепа возник на основе высокоэнергетических лазеров на неодимовом стекле, вырабатывающих импульсную энергию до 50 Дж (чаще всего от 5 до 40 Дж) с длительностью импульса от 8 до 25 нс. Диаметр лазерного пятна на мишени обычно находится в диапазоне от 2 до 7 мм. Последовательность обработки начинается с нанесения непрозрачного покрытия на заготовку или целевую поверхность. Обычно используемые непрозрачные материалы покрытия — это черная или алюминиевая лента, краска или фирменная жидкость RapidCoater. Лента или краска обычно наносятся на всю обрабатываемую область, в то время как RapidCoater наносится на каждое лазерное пятно непосредственно перед запуском лазерного импульса. После нанесения непрозрачного покрытия поверх него накладывается прозрачное покрытие. Прозрачное покрытие, используемое в производственной обработке, — это вода; оно дешевое, легко наносится, легко адаптируется к большинству сложных геометрий поверхности и легко удаляется. Оно наносится на поверхность непосредственно перед запуском лазерного импульса. Кварцевые или стеклянные покрытия создают гораздо более высокое давление, чем вода, но ограничены плоскими поверхностями, должны заменяться после каждого выстрела и с ними было бы трудно обращаться в производственных условиях. Можно использовать прозрачную ленту, но ее нанесение требует труда и ее трудно приспособить к сложным особенностям поверхности. Прозрачное покрытие позволяет лазерному лучу проходить через него без заметного поглощения энергии лазера или пробоя диэлектрика. Когда лазер срабатывает, луч проходит через прозрачное покрытие и ударяет по непрозрачному покрытию, немедленно испаряя тонкий слой материала покрытия. Этот пар удерживается на границе между прозрачным и непрозрачным покрытиями. Продолжающаяся подача энергии во время лазерного импульса быстро нагревает и ионизирует пар, превращая его в быстро расширяющуюся плазму. Растущее давление, оказываемое на непрозрачную поверхность покрытия расширяющейся плазмой, проникает на поверхность мишени в виде высокоамплитудной волны напряжения или ударной волны. Без прозрачного покрытия неограниченный плазменный шлейф удаляется от поверхности, и пиковое давление значительно ниже. Если амплитуда ударной волны превышает предел упругости Гюгонио (HEL) , т. е. динамический предел текучести, мишени, материал пластически деформируетсяво время прохождения ударной волны. Величина пластической деформации уменьшается с расстоянием от поверхности, поскольку пиковое давление ударной волны затухает, т. е. уменьшается, и становится равной нулю, когда пиковое давление падает ниже HEL. После прохождения ударной волны остаточная пластическая деформация создает градиент остаточного напряжения сжатия под целевой поверхностью, самый высокий на поверхности или непосредственно под ней и уменьшающийся с глубиной. Изменяя плотность мощности лазера, длительность импульса и количество последовательных выстрелов на участке, можно достичь диапазона величин и глубин поверхностного сжимающего напряжения. Величина поверхностных напряжений сопоставима с дробеструйной обработкой, но глубина намного больше, достигая 5 мм при использовании нескольких выстрелов на пятне. Обычно применяется плотность пятен около 10 пятен/см 2 - 40 пятен/см 2 . Глубина сжимающего напряжения, достигаемая при наиболее распространенных параметрах обработки, составляет от 1 до 2 мм (от 0,039 до 0,079 дюйма) в глубину. Глубокие сжимающие напряжения возникают из-за того, что пиковое давление ударной волны поддерживается выше HEL на большей глубине, чем при других технологиях дробления.
Могут быть случаи, когда экономически выгодно не наносить непрозрачный слой, а лазерной наплавкой обрабатывать голую поверхность заготовки. При лазерной наплавке голой металлической поверхности тонкий, микрометрового диапазона, слой поверхностного материала испаряется. Быстрое повышение температуры вызывает плавление поверхности на глубину, зависящую от энергии и длительности импульса, а также целевой температуры плавления. Для алюминиевых сплавов эта глубина номинально составляет 10–20 мкм, но для сталей и других сплавов с более высокой температурой плавления глубина может составлять всего несколько микрометров. Из-за короткой длительности импульса глубинный нагрев поверхности ограничивается несколькими десятками микрометров из-за быстрого эффекта закалки холодной подложки. Может возникнуть некоторое поверхностное окрашивание поверхности заготовки, как правило, из-за продуктов окисления. Эти вредные эффекты обработки голой поверхности, как эстетические, так и металлургические, можно устранить после лазерной наплавки путем легкой шлифовки или хонингования. При нанесении непрозрачного покрытия на поверхность мишени происходит повышение температуры менее чем на 50–100 °C (90–180 °F) в течение наносекундного периода времени.
Лазерные импульсы обычно применяются последовательно к цели для обработки областей, превышающих размер пятна лазера. Формы лазерных импульсов можно настраивать на круглые, эллиптические, квадратные и другие профили, чтобы обеспечить наиболее удобные и эффективные условия обработки. Размер применяемого пятна зависит от ряда факторов, включая HEL материала, характеристики лазерной системы и другие факторы обработки. Область, подлежащая лазерной обработке, обычно определяется геометрией детали, протяженностью критической области усталости и соображениями перемещения компенсирующих растягивающих напряжений из этой области.
Недавно разработанный процесс лазерной наклепа, процесс Toshiba LPwC, существенно отличается от описанного выше процесса. Процесс LPwC использует низкоэнергетические высокочастотные лазеры Nd-YAG, вырабатывающие энергию импульса ≤ 0,1 Дж и длительность импульса ≤ 10 нс , используя размеры пятна ≤ 1 мм в диаметре. Поскольку изначально процесс предназначался для работы в больших заполненных водой сосудах, частота волны была удвоена, чтобы уменьшить длину волны вдвое до 532 нм. Более короткая длина волны уменьшает поглощение энергии луча при прохождении через воду к цели. Из-за ограничений доступа на поверхность цели не наносится непрозрачное покрытие. Этот фактор в сочетании с малым размером пятна требует много выстрелов для достижения значительного поверхностного сжимающего напряжения и глубины 1 мм. Первые нанесенные слои создают растягивающее поверхностное напряжение из-за поверхностного плавления, хотя сжимающее напряжение развивается под слоем расплава. Однако по мере добавления большего количества слоев увеличивающееся подповерхностное сжимающее напряжение «просачивается» обратно через расплавленный поверхностный слой, создавая желаемое поверхностное сжимающее напряжение. В зависимости от свойств материала и желаемых сжимающих напряжений обычно применяется плотность пятен от 18 до 70 пятен/мм 2 или более, что примерно в 100 раз превышает плотность пятен процесса с высокой энергией импульса. Влияние более высокой плотности пятен на время обработки частично компенсируется более высокой частотой импульсов, 60 Гц, низкоэнергетических лазеров. Предполагается, что новые поколения этих лазерных систем будут работать на более высоких частотах. Этот низкоэнергетический процесс достигает величин и глубин остаточного сжимающего напряжения, эквивалентных высокоэнергетическому процессу с номинальными глубинами от 1 до 1,5 мм (от 0,039 до 0,059 дюйма). Однако меньший размер пятна не позволит использовать глубины больше этой.
Процесс лазерной наклепа с использованием компьютерного управления описан в AMS 2546. Как и многие другие технологии улучшения поверхности, прямое измерение результатов процесса на заготовке во время обработки нецелесообразно. Поэтому параметры процесса энергии и длительности импульса, воды и непрозрачных покрытий тщательно контролируются во время обработки. Также доступны другие системы контроля качества, которые полагаются на измерения давления, такие как электромагнитные акустические преобразователи (ЭМАП), система интерферометра скорости для любого отражателя (VISAR) и датчики PVDF, а также плазменные радиометры. Также используются полоски Альмена , но они функционируют как инструмент сравнения и не обеспечивают точного измерения интенсивности лазерной наклепа. Результирующие остаточные напряжения, создаваемые процессом лазерной наклепа, обычно измеряются в промышленности с использованием методов рентгеновской дифракции в целях оптимизации процесса и обеспечения качества.
Первоначальные лазерные системы, используемые при разработке лазерной наклепа, представляли собой большие исследовательские лазеры, обеспечивающие высокоэнергетические импульсы с очень низкой частотой импульсов. С середины-конца 1990-х годов лазеры, разработанные специально для лазерной наклепа, отличались постоянно меньшим размером и более высокой частотой импульсов, что было более желательно для производственных условий. Системы лазерной наклепа включают как стержневые лазерные системы, так и пластинчатые лазерные системы. Стержневые лазерные системы можно условно разделить на три основные группы, признавая, что между ними есть некоторое совпадение: (1) высокоэнергетические лазеры с низкой частотой повторения, работающие обычно при 10–40 Дж на импульс с длительностью импульса 8–25 нс при номинальной частоте повторения 0,5–1 Гц, номинальные размеры пятна от 2 до 8 мм; (2) лазеры средней энергии, со средней частотой повторения, работающие при 3–10 Дж с длительностью импульса 10–20 нс при частоте повторения 10 Гц, номинальные размеры пятна от 1 до 4 мм; (3) низкоэнергетические лазеры с высокой частотой повторения, работающие при ≤ 1 Дж на импульс с длительностью импульса ≤ 10 нс при частоте повторения 60+ Гц, размером пятна ≤ 1 мм . Система лазера на пластине работает в диапазоне 10–25 Дж на импульс с длительностью импульса 8–25 нс при частоте повторения 3–5 Гц, номинальные размеры пятна 2–5 мм. Коммерческие системы включают стержневые лазеры, представленные всеми тремя группами, и систему лазера на пластине.
Для каждой системы лазерной накатки выходной луч лазера направляется в ячейку лазерной накатки, содержащую обрабатываемые детали или детали. Ячейка накатки содержит систему обработки деталей и обеспечивает безопасную среду, необходимую для эффективной коммерческой лазерной накатки. Детали, подлежащие обработке, обычно вводятся в ячейку партиями. Затем детали выбираются и помещаются на траекторию луча роботами или другими индивидуальными системами обработки деталей. Внутри рабочей ячейки луч направляется на поверхность заготовки через оптическую цепь зеркал и/или линз. Если используется лента, она наносится до того, как деталь попадает в рабочую ячейку, тогда как наложения воды или RapidCoater наносятся внутри ячейки индивидуально для каждого места. Заготовка, а иногда и лазерный луч, перепозиционируются для каждого выстрела по мере необходимости с помощью робота или другой системы обработки деталей. Когда выбранные области на каждой детали обработаны, партия заменяется в рабочей ячейке другой.
Ударная волна, генерируемая холодной обработкой (пластической деформацией) в материале заготовки, создает сжимающие и растягивающие остаточные напряжения для поддержания равновесного состояния материала. Эти остаточные напряжения являются сжимающими на поверхности заготовки и постепенно переходят в низкие растягивающие напряжения ниже и вокруг области лазерной наклепа. Холодная обработка также упрочняет поверхностный слой. Было показано, что сжимающие остаточные напряжения и, в меньшей степени, холодная обработка от лазерной наклепа предотвращают и смягчают многоцикловую усталость (HCF), малоцикловую усталость (LCF), коррозионное растрескивание под напряжением, фреттинг-усталость и, в некоторой степени, износ и коррозионную точечную коррозию . Он отлично подходит для смягчения повреждений посторонними предметами в лопатках турбин.
Пластическая деформация, создаваемая лазерной наклепкой, намного ниже, чем при использовании других технологий ударной наклепки. В результате остаточная пластическая деформация имеет гораздо большую термическую стабильность, чем более сильно обработанные холодной обработкой микроструктуры. Это позволяет сохранять сжимающие напряжения, создаваемые лазерной наклепкой, при более высоких рабочих температурах в течение длительного воздействия, чем в случае других технологий. Среди применений, получающих выгоду от этого, — лопатки вентиляторов и компрессоров газовых турбин, а также компоненты атомных электростанций.
Улучшая эксплуатационные характеристики материала, лазерная наклепка позволяет создавать более эффективные конструкции, которые снижают вес, продлевают срок службы компонентов и повышают производительность. В будущем ожидается, что лазерная наклепка будет включена в конструкцию усталостно-критических компонентов для достижения более длительного срока службы, более легкого веса и, возможно, более простой конструкции для производства.
Первоначально использование лазерно-индуцированных ударных волн на металлах для достижения свойств или функциональных преимуществ называлось лазерной ударной обработкой, более широким, более всеобъемлющим термином. Так уж получилось, что лазерная наклепка стала первым коммерческим аспектом лазерной ударной обработки. Однако лазерно-индуцированные ударные волны нашли применение и в других промышленных приложениях, помимо технологий улучшения поверхности.
Одно из применений — формовка или формование металла. При выборочном лазерном ударе по областям на поверхности металлических листов или пластин или более мелких предметов, таких как аэродинамические профили, связанные с этим остаточные напряжения сжатия заставляют материал изгибаться контролируемым образом. Таким образом, можно придать компоненту определенную форму или вернуть деформированный компонент в желаемую форму. Таким образом, этот процесс способен возвращать изготовленные детали в пределы проектных допусков и формировать детали тонкого сечения.
Другой вариант — использовать ударную волну для испытания материалов на откол . Это применение основано на поведении ударных волн, отражающихся от задней свободной поверхности заготовки в виде волны растяжения. В зависимости от свойств материала и характеристик ударной волны отраженная волна растяжения может быть достаточно сильной, чтобы образовать микротрещины или пустоты вблизи задней поверхности или фактически «сдуть» или отколоть материал с задней поверхности. Этот подход имеет некоторую ценность для испытания баллистических материалов.
Использование лазерных ударов для измерения прочности сцепления покрытий на металлах разрабатывалось в течение многих лет во Франции под названием LASAT для испытания лазерной адгезии. [26] Это применение также основано на поведении ударных волн, отражающихся от задней свободной поверхности заготовки в виде волны растяжения. Если задняя поверхность покрыта адгезивным покрытием, волна растяжения может быть адаптирована для разрушения связи при отражении от поверхности. Контролируя характеристики ударной волны, прочность сцепления покрытия может быть измерена или, в качестве альтернативы, определена в сравнительном смысле. [27]
Тщательный подбор формы и интенсивности ударной волны также позволил проводить проверку связанных композитных структур с помощью лазерного удара. [28] [29] Технология, называемая лазерной инспекцией связи, инициирует ударную волну, которая отражается от задней стороны связанной структуры и возвращается в виде волны растяжения. Когда волна растяжения проходит обратно через адгезионное соединение, в зависимости от прочности связи и пикового напряжения растяжения волны напряжения, волна растяжения либо пройдет через соединение, либо разорвет его. Контролируя давление волны растяжения, эта процедура способна надежно локально проверять прочность сцепления между связанными соединениями. Эта технология чаще всего применяется к связанным волокнистым композитным материалам, но также показала свою успешность в оценке связей между металл-композитным материалом. Также изучаются фундаментальные вопросы для характеристики и количественной оценки эффекта ударной волны, создаваемой лазером внутри этих сложных материалов. [30] [31] [32]
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )