Лазерное ударное упрочнение (LSP) с использованием лазеров Litron

Введение

Лазерное упрочнение — это относительно новая технология, быстро нашедшая применение в промышленности. Этот метод обеспечивает гораздо более длительный срок службы детали, чем традиционное механическое упрочнение (срок службы увеличивается до 10 раз), что актуально при работе в суровых и требовательных условиях.

В этом процессе используется лазерный импульс высокой энергии, который вызывает быстрое повышение давления на поверхности материала для создания ударной волны в детали. Ударная волна распространяется по материалу, вызывая измельчение зеренной структуры материала. В материале также возникают остаточные напряжения сжатия, которые сохраняются в течение длительного времени. Эти напряжения увеличивают прочность на растяжение и улучшают структуру материала, повышают твердость и износостойкость, тем самым продлевая срок службы детали.
Лазерное упрочнение используется в основном в аэрокосмической и энергетической промышленности для обработки поверхности лопастей турбин и деталей двигателей, но исследовательские институты стремятся расширить спектр применения технологии.

Керамические детали твердые, хрупкие и труднообрабатываемые, а также подвержены растрескиванию. Лазерное упрочнение при правильном применении может выступать в качестве восстановительного процесса, меняющего микроструктуру керамики и повышающего твердость и вязкость разрушения при деформации, таким образом увеличивая прочность и долговечность материала. В данном исследовании описываются особенности практического применения этого метода для керамических режущих инструментов, зубных имплантатов и бронежилетов.

Эксперимент

Для проведения экспериментов в Университете Честера используется ультра-высокоэнергетический импульсный Nd:YAG лазер с модуляцией добротности от Litron Lasers Ltd, Rugby UK. Лазер LPY10J идеально подходит для лазерного упрочнения, поскольку он обеспечивает стабильный импульс с энергией 10 Дж на длине волны 1064 нм с частотой 5 Гц.

Кроме того, 2-я, 3-я и 4-я гармоники могут включаться и отключаться по мере необходимости, что позволяет наблюдать влияние излучения различных длин волн на материал. Конструкция лазеров Litron обеспечивает гибкость настройки и наличие дополнительных опций в сочетании с прочностью и надежностью промышленного уровня.

Перспективы дальнейшего развития метода лазерного упрочнения заключаются в применении более высоких энергий, более высокой частоты повторения и больших диаметров пятна с целью создания поля остаточных напряжений сжатия на большей площади поверхности на необходимой глубине. Эти параметры зависят от обрабатываемого материала, поэтому важна возможность применения широкого диапазона настроек. 

В частности, работа по лазерному ударному упрочнению керамики требует использования 2-й, 3-й и 4-й гармоник, поэтому необходимо использовать мощную наносекундную лазерную систему с энергией импульса 2,5 Дж на длине волны 355 нм, в то же время обеспечивающую минимальное тепловое воздействие на твердую хрупкую керамику: карбид кремния и оксид алюминия. Этим требованиям удовлетворяет лазерная система Litron LPY10J, используемая в эксперименте. Фотография образца карбида кремния (SiC), подвергнутого лазерной обработке, представлена на рисунке 1. Заметна модификация поверхности в области воздействия, что более подробно можно изучить по изображениям, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа (рисунок 2). Неровности поверхности сглажены.

Рисунок 1 – Обработанная лазером керамика SiC, используемая для производства инструментов

Рисунок 2 – Полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа изображения (a) необработанной и (б) обработанной лазером керамики SiC, демонстрирующие сглаживание структуры.

Проведенные испытания демонстрируют увеличение твердости и вязкости разрушения обработанной керамики, причем увеличение этих параметров прямо пропорционально энергии импульса лазера, что демонстрирует преимущества использования лазерных систем сверхвысокой энергии. 

Рисунок 3 – Графики, демонстрирующие увеличение (a) твердости и (б) вязкости разрушения с увеличением энергии лазера обработанной керамики SiC.

Заключение

Лазерное ударное упрочнение, примененное к керамике SiC, продемонстрировало сглаживание поверхности образца и увеличение его твердости и вязкости разрушения, что положительно влияет на прочность и срок службы керамических инструментов. Для достижения оптимального результата необходимо использование наносекундных импульсов с высокой энергии гармоник высших порядков.

В серии LPY наносекундных лазеров высокой и сверхвысокой энергии производства Litron Lasers представлены модели с энергией импульса до 10 Дж и дополнительными блоками генерации гармоник вплоть до 4-го порядка. Лазеры Litron отличаются высоким качеством сборки, прочной стабильной конструкцией, а также гибкостью и применимостью для широкого спектра задач благодаря модульной конструкции и большому количеству дополнительных опций.

Ознакомиться с каталогом Litron можно здесь.

Компания INSCIENCE занимается поставкой решений в области лазерной обработки материалов.