CC BY
1913. Доценко, Н.В. Применение метода анализа согласованности приоритетов стратегий для выявления стартовой точки реинжиниринга бизнес-процессов [Текст] / Н.В. Доценко, Н.В. Синицкая // Радюелектронш i комп'ютерш системи. - Вип. № 1 (65). - Х. 2014. - С. 150-156.
14. Официальный документ Oracle. Earned Value Lite: Упрощенная версия методики освоенного объема для проектов любого размера [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.oracle.com/ru/products/applications/primavera/ primavera-earned-value-ru-wp-350190-ru.pdf.
ЛАЗЕРНОЕ ТЕРМОУПРОЧНЕНИЕ С РЕГИСТРАЦИЕЙ ДИНАМИКИ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАЗЕРНОГО ПРОЕКЦИОННОГО МИКРОСКОПА
Евстюнин Г.А.
кандидат экономических наук, заведующий базовой кафедры «Лазерная поверхностная обработка материалов: устройства и технологии», ООО «Новые технологии лазерного термоупрочнения»
Герке М.Н.
Старший научный сотрудник кафедры физики и прикладной математики, Владимирский государственный университет
Григорьев А.В.
Заместитель директора по развитию и науке, ООО "Бакулин Моторс Групп"
Осипов А.В.
Инженер-исследователь кафедры физики и прикладной математики, Владимирский государственный университет
Скрябин И.О.
аспирант кафедры физики и прикладной математики, Владимирский государственный университет
В работе проведена визуализация процесса структурно-фазовых превращений в твердотельных сплавах при лазерном нагреве в условиях использования технологий лазерного термоупрочнения с помощью роботизированного лазерного технологического комплекса. Программный автоматизированный комплекс с зондирующим излучением лазера на парах меди позволил наблюдать процесс лазерного термоупрочнения в режиме реального масштаба времени. Удалось зарегистрировать с высоким временным разрешением (до 0.001 с) интервалы развития фазовых превращений на поверхности материала с разной зависимостью его твердости от температуры. Сам выбор силового лазера в данном модельном эксперименте не имеет принципиального значения, поскольку механизм термоупрочнения определяется средними мощностными характеристиками воздействующего лазерного излучения по тепловому механизму, которые нетрудно унифицировать для разных типов лазеров.
Ключевые слова: лазерное термоупрочнение, лазерная обработка, лазер на парах меди, роботизированный лазерный комплекс, зондирующее излучение.
LASER THERMAL HARDENING WITH THE REGISTRATION OF THE DYNAMICS OF MODIFICATIONS METAL SURFACE IN REAL TIME USING LASER PROJECTION
MICROSCOPE
Evstyunin G.A.
Candidate of Economic Sciences, LLC "New laser technology thermostrengthening"
Gerke M.N.
Senior Researcher of the Department of Physics and Applied Mathematics, Vladimir State University
Grigorev A.V.
Deputy Director of Development and Science, LLC "Bakulin Motors Group"
Osipov A.V.
research engineer of the Department of Physics and Applied Mathematic, Vladimir State University
Skryabin I.O.
Postgraduate of the Department of Physics and Applied Mathematics, Vladimir State University
In scientific work conducted visualization of structural and phase transformations in solid alloys by laser heating in the conditions of use of technologies of laser thermal hardening using robotic laser technological complex. The software automated complex with the probe radiation copper vapor laser has allowed to observe the process of laser thermal hardening in the real time mode. It was possible to register with high time resolution (up to 0,001) intervals of phase transformations on the surface of the material with a different dependence on the temperature of its hardness. The choice of the power of the laser in this model experiment does not matter, since the mechanism of thermo-power characteristics determined by the average radiation exposure for the thermal mechanism, which is not difficult to standardize for different types of lasers.
Keywords: laser thermostrengthening, laser treatment, copper vapor laser, robotic laser system, the probe radiation.
Введение
Процессы, индуцированные лазерным излучением в области его взаимодействия с веществом, характеризуются высокой скоростью развития и исключают прямой контакт измеряющих детекторов в области взаимодействия. Кроме того, возможность структурной перестройки облучаемой поверхности материала требует регистрации временных характеристик этих динамических процессов, определяющих по сути структурные фазовые переходы. Поэтому для их диагностики предпочтительны высокочувствительные, бесконтактные и без инерционные методы регистрации.
Наиболее перспективными в этом аспекте являются оптические методы регистрации, основанные на использовании кроме силового лазера накачки также и дополнительного/зондирующего лазерного излучения («pump-probe technique»). Важность и эффективность методов диагностики с использованием данного подхода подтверждается большим числом публикаций, посвященным подобным методам и их модификациям (ср. с [1]). Остановимся на некоторых из них.
Основное преимущество применения усилителей яркости на основе активных сред лазеров на парах металлов (Си) в системах оптического диагностического канала заключается в том, что усилитель яркости выступает в качестве узкополосного селективного фильтра[2]. Активная среда усилителя яркости многократно усиливает проходящее через нее излучение, но только в узкой полосе частот, соответствующей собственному контуру усиления активной среды. В результате, если зондирование исследуемого объекта производится в отраженном свете излучением такой активной среды усилителя яркости, то излучение, несущее полезную информацию, на приемном устройстве значительно превосходит по мощности различного рода фоновые/паразитные засветки.
Эта особенность применения усилителей яркости (их иногда называют лазерными мониторами) инициировала широкое их применение. Для того была сформулирована система требований к усилителям яркости для оптических систем [2-4,6]:
(1) активная среда должна обладать оптической однородностью и/или, в общем случае, высоким оптическим качеством с тем, чтобы не вносить заметных искажений в усиливаемое изображение и/или в усиливаемое распределение интенсивностей и фаз;
(2) геометрические размеры и угловая апертура активной среды (и усиливающего элемента в целом) должны обеспечивать прохождение через нее пучков света (в отраженном от исследуемого объекта свете), несущих информацию об объекте, в том числе обеспечивать требуемое разрешение и число разрешаемых элементов;
(3) реальное усиление активной среды за один проход должно быть достаточно велико, чтобы обеспечить значительное усиление яркости изображения в сравнении с фоновым/паразитным излучением, в частности, достижимая величина усиления определяет возможность повышения линейного увеличения данной оптической системы;
(4) наряду с большим усилением активная среда должна обладать для многих реальных применений еще и достаточно большой выходной мощностью, например, обеспечивать мощность, требуемую для освещения экрана больших размеров;
(5) для обеспечения высокой эффективности использования инверсии активной среды и высокого КПД всей системы необходимо, чтобы хотя бы значительная часть активной среды работала в режиме, близком к насыщению;
(6) при визуальном наблюдении усиленных изображений поверхности обрабатываемого силовым лазером материала используемая активная среда должна обеспечивать усиление в видимой области спектра в непрерывном и/или импульсном режиме с достаточно высокой частотой повторения, превышающей 20-50 Гц.
Одновременное выполнение сформулированных выше требований (а есть для ряда задач еще и дополнительные требования) представляет непростую задачу. В этом аспекте активные среды импульсных лазеров на парах металлов, в частности, на парах атомов меди, работающих на переходах атомов с резонансных уровней на метастабильные уровни в режиме сверхсветимости, отличаются высокой эффективностью, относительной простотой эксплуатации и высоким качеством излучения[2]. Особенно удобны они при наличии интенсивной оптической засветки вследствие свечения факела плазмы силового лазера непосредственно над обрабатываемой поверхностью материала. Данная засветка определяется высокой температурой свечения -больше 1000°С, - существенно превышающей температуру объекта, подвергаемому лазерной обработке. Поэтому эта засветка экранирует обрабатываемую поверхность, что делает невозможным прямое наблюдение ее трансформации в реальном масштабе времени непосредственно в процессе самой обработки.
В качестве основной усилительной характеристики следует рассматривать эффективное усиление, определяющееся как отношение средних мощностей светового излучения на выходе и входе усилителя. Активные среды на парах металлов почти при всех значениях мощности входного сигнала работают в режиме насыщения, сохраняя при этом даже при наибольших входных мощностях значение эффективного усиления порядка 100, а при малых входных мощностях оно достигает величин порядка 104. При этом контраст усиленного изображения остается близким к ис-ходному[4,6-8].
В настоящее время в рамках выполнения НИОКТР-про-екта «Разработка новых высокоэффективных технологий кардинального повышения износостойкости ответственных деталей машиностроения на основе не имеющего мировых аналогов роботизированного универсального интеллектуального лазерного комплекса с диагностикой процессов упрочнения в реальном масштабе времени» создана оптическая система с усилителями яркости изображения на заделе, который был создан ранее в данном коллективе исследователей, с характеристиками, позволяющими исследовать различные динамические процессы в реальном масштабе времени.
Работа выполнена в рамках реализации договора с Ми-нобрнауки России от "01" октября 2014г. № 02.G25.31.0129.
1. Экспериментальная схема и методика измерений.
1.1. Принципиальная схема установки и базовые ее параметры.
Используемая схема для модельных исследований (обеспечивающих требуемый режим термоупрочнения при соответствующей мощности силового лазера) для отработки различных режимов работы лазерного монитора в составе используемого в работе автоматизированного технологиче-
LIB
шши
ского лазерного комплекса приведена на рис. 1. Базовые параметры лазерного комплекса: блок накачки (модельный эксперимент с однопучковым излучением):
силовой лазер (для обработки методики) - YAG: Nd3+; длина волны излучения 1.06 мкм; частота следования импульсов 150 Гц; длительность импульса 2 мс; мощность излучения 10-100Вт;
интенсивность на поверхности образца 104 - 107 Вт/см2; блок зондирования и визуализации: лазерный монитор - лазерный усилитель на парах атомов меди;
длина волны 510.4 нм;
частота следования импульсов 16 кГц;
длительность импульса 20нс;
мощность излучения 1 Вт; блок регистрации:
стробоскопическая камера (Strobe Module Optical System) - длительность стробоскопического импульса от 10 нс до 30 мкс с шагом в 2 нс;
временное разрешение в двух режимах -
(1) 5000 fps (2 10-4с на кадр) - по оси x; 1258 x 100 pixels
- по оси y;
(2) 500 fps (2 10-3с на кадр) - по оси x; 1258 x 1258 pixels
- по оси y;
блок температурных измерений поверхности образца на основе быстродействующего (<500 мкс) пирометра, использующего метод измерения яркостной температуры поверхности (до 50000 С) по её излучательной способности на двух длинах волн - 0.65 и 0.9 мкм.
Рис. 1. Схема экспериментального комплекса: 1 - мощный лазер (YAG:Nd), 2 - шторка, 3 - корректирующая линза, 4 - зеркало, 5 - объектив, 6 - исследуемый образец на координатном столе, 7 - поворотное зеркало, 8 - пьезосистема управления поворотным зеркалом, 9 - диафрагма, 10 - лазер на парах атомов меди, 11 - проекционная система, 12 - светодели-тельная пластина, 13 - экран, 14 - цифровая камера, 15 - компьютер, 16 - монитор, 17 - блок управления мощным лазером и координатным столом.
Технологический комплекс включает в себя также координатный стол с полем 150x150 см2, позволяющий осуществлять перемещение лазерного пучка по поверхности образца с точностью до 0.02 мм. Точная подстройка положения пятна медного лазера на поверхности образца осуществляется при помощи специально разработанной системы на основе пьезодвигателей.
Выбор твердотельного YAG:Nd-лазера (Х=1.06 мкм) в качестве модельного «силового» лазера для разрабатываемого робототизированного лазерного технологического комплекса обусловлен широким применением подобных лазеров для инициирования динамических процессов на поверхности металлов.
Используемый усилитель яркости должен пропускать излучение с числом элементов разрешения по линейному полю зрения Б 102^103. Это означает, что френелевский параметр, характеризующий пропускную способность усили-
теля, также должен составлять величину указанного порядка:
F =
pd2 Xl
102...103
где d - диаметр усилителя, р - число каскадов усиления, 1 - длина усилителя, X - длина волны излучения. Кроме того, используемый усилитель яркости должен обеспечить достаточно большой коэффициент усиления К>104, а усиление спонтанного излучения в поперечном направлении усилителя не должно превышать 20^40 %, т.е.:
р-а-1=1пК>10; а^<0,2...0,4, где а - коэффициент усиления активной среды.
В нашем случае использование в качестве усилителя яркости лазера на парах атомов меди с длиной активного элемента 1 = 1 м, диаметром d = 15 мм и коэффициентом усиления а= 0.14 см-1, излучающего на длине волны
X = 510.6 нм, позволяет обеспечить число элементов разрешения по линейному полю зрения Б = 440, усиление аЛ = 14 и усиление спонтанного излучения в поперечном направлении усилителя а^ = 0.21.
Предварительно были определены основные характеристики лазерного усилителя. Коэффициент усиления К= Р/Рь, где Р, Роц( - мощности излучения на входе и выходе усилителя, находился в пределах 103^104 в зависимости от величины входного сигнала. Оптическая система усилителя позволяла получать увеличение изображения в 103^104 раз и разрешать детали картины размером порядка 2 мкм.
Регистрация динамических процессов осуществлялась при помощи камеры, приемник которой представляет собой матрицу приборов с зарядовой связью на основе кремния в спектральном диапазоне чувствительности 0.4 - 1.1 мкм. Канал визуального наблюдения (при проецировании увеличенного изображения области взаимодействия лазерного излучения с образцом на экран) реализовался в удобной для восприятия человеческого глаза зеленой области спектра 510.6 нм.
Излучение силового лазера 1 фокусируется на поверхности исследуемого образца 6 при помощи объектива 5.
Излучение лазера на парах атомов меди 10, работающего в режиме сверхсветимости, т.е. без зеркал резонатора, фокусируется на область взаимодействия излучения силового лазера на поверхности исследуемого образца при помощи этого же объектива. Корректирующая линза 3 используется для совмещения плоскостей перетяжки лучей лазеров. Отраженное излучение собирается и направляется на вход лазера на парах меди тем же объективом.
Далее, излучение проходит через активную среду лазера, усиливаясь в нем, и проецируется оптической системой 11 на экран 13, создавая на нем увеличенное изображение зоны взаимодействия. Часть усиленного излучения отводится при помощи светоделительной пластинки 12 на приемный элемент цифровой камеры 14, что позволяет записывать изображение области взаимодействия излучения твердотельного лазера с поверхностью образца, воспроизводить его на экране монитора 16 и обрабатывать на компьютере 15.
Активная среда пропускает излучение образующегося факела (плазмы) без усиления, но многократно усиливает лазерное излучение медного лазера, отраженное от поверхности, что и позволяет осуществлять ее наблюдение в отраженном лазерном свете. Таким образом, лазер на парах меди осуществляет подсветку, усиление яркости изображения
области обработки и подавление паразитной засветки.
Экспериментальная установка позволяет наблюдать процессы, происходящие в области взаимодействия лазерного излучения с поверхностью образца, на экране и/или на компьютерном дисплее и регистрировать изображения области воздействия через промежутки времени, определяемые частотой кадров камеры. Сопоставление между собой последовательных во времени изображений зоны наблюдения позволяет изучить эволюцию обрабатываемой поверхности материала в реальном масштабе времени.
1.2. Процедура измерений.
Экспериментальные исследования процессов, происходящих в области взаимодействия лазерного излучения с поверхностью образца, производятся по следующей методике. Лазерный монитор настраивается для наблюдения поверхности исследуемого образца. Настройка может быть выполнена как с визуальным контролем - при этом на экране или дисплее наблюдается изображение поверхности материала с отчетливо различаемым рельефом поверхности (см. рис. 2а), - так и по максимуму отраженного от образца и усиленного активной средой лазера на парах атомов меди излучения.
Для улучшения контраста применялись как классические оптические методы устранения бликов, так и компьютерные методы последующей обработки изображений[3].
Возможности измерений иллюстрируются рис. 3. В качестве объекта наблюдения использовалась отражательная решетка с периодом 4 мкм. Известно, что для такого рода лазерных проекционных микроскопов эти величины не являются предельно достижимыми, однако в наших экспериментах этого было достаточно для наблюдения исследуемых процессов лазерной обработки материалов. После настройки лазерного монитора открывалась шторка УАО-лазера, его излучение направлялось на мишень, и производилась совместная юстировка силового и зондирующего/диагностического каналов установки. При этом точность совмещения осей была не хуже 0.02 мм. Размер пятна излучения твердотельного лазера на поверхности исследуемого образца независимо регулировался, что позволяло, в зависимости от условий эксперимента, исследовать процессы как для практически однородной освещенности области воздействия, так и при неоднородной освещенности. Область воздействия излучения твердотельного лазера легко идентифицировалась по уменьшению отражательной способности (потемнению) поверхности образца и по разрушению первоначального микрорельефа (см. рис. 2).
Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #11, 2016
Рис. 2. Изображение поверхности материала, полученные при помощи лазерного монитора: а) до воздействия силового лазера (отчетливо различается рельеф поверхности, наблюдаемый при настройке лазерного монитора на образец); б) во время воздействия силового лазера (стрелкой указана область лазерного воздействия).
Далее, устанавливалась мощность излучения твердотельного лазера, необходимая для инициирования исследуемого процесса. Интенсивность действующего на поверхность образца излучения и длительность воздействия зависит оттого,до какой стадиии в каком режимедолжно происходить взаимодействие лазерного излучения с материалом.
Под воздействием лазерного излучения изменяются оптические характеристики облучаемого материала, что приводит к изменению отражательной способности поверхности исследуемого образца, а также возникают различной природы поверхностные структуры, вызывающие изменение диаграммы отражения. Эти изменения условий отраже-нияприводяткизменениюрегистрируемогоизображения зоны взаимодействия лазерного излучения с поверхностью образцаиопределяютсяприегокомпьютернойобработке.
Рис. 3. Изображение отражательной дифракционной решетки, полученное при помощи лазерного монитора (период решетки - 4 мкм).
Для этого полученные изображения оцифровываются (уровень яркости каждого элемента изображения преобразуется в соответствующий цифровой код) и в этом виде записываются в память компьютера. В результате в памяти компьютера формируются массивы кодов. При вычитании из базового массива (соответствующего определенному кадру изображения) другого массива (соответствующего премию ШгУОТЕЯУ^Е I TECHNICZNE
дыдущему кадру изображения) остается только цифровая информация об происшедших изменениях на поверхности образца.
Подобная процедура применяется и для повышения контраста регистрируемых изображений объекта. Для этого оптический затвор, установленный между предметом и лазерным усилителем, последовательно открывается и
закрывается синхронно с частотой кадров регистрирующей камеры (отраженное от затвора излучение лазерного усилителя направляют за пределы его апертуры). Это дает возможность в первом кадре записать изображение объекта и фона/паразитного излучения, а во втором кадре (при закрытом затворе) только изображение фона. При вычитании из массива (соответствующего первому кадру) следующего массива (соответствующего второму кадру) остается только цифровая информация об изменении в изображении объекта, которое выводится на дисплей компьютера в виде элементов (полученных при вычитании массива по выше обозначенной процедуре) для визуального наблюдения трансформации изображения объекта.
Преимущества разработанной модельной экспериментальной установки при исследовании высокотемпературных процессов, развивающихся при взаимодействии лазерного излучения с материалами в условиях образования паразитной засветки от эрозионного факела (она экранирует область воздействия), наглядно проявились при проведении сравнительного эксперимента, в котором излучение лазера на парах меди, отраженное от поверхности материала, делилось пополам светоделителем, и часть излучения направлялась на камеру в обход активной среды лазера на парах меди. Этот канал представляет собой обычную стандартную проекционную оптическую систему с лазером в качестве источника света. Оптические пути в обоих каналах практически одинаковые и изображение регистрируется камерой с одинаковым увеличением. Затем на образец направлялось излучение силового лазера, интенсивность которого постепенно увеличивалось. При интенсивности излучения силового лазера порядка 4^105 Вт/см2 эрозионный факел развивается настолько, что его свечение полностью экранирует область взаимодействия лазерного излучения с поверхностью материала, что не позволяет производить ее наблюдение. На изображение области взаимодействия, полученное в канале с усилителем яркости, это не оказывает влияние, а изображение, полученное в канале без усиления, становится непригодным для исследования процессов, реализующихся на поверхности.
В нашем случае кадр, фиксирующий состояние поверхности в определенный момент времени действия лазерного пучка силового лазера, дает качественную картину условий отражения света в этой области взаимодействия. Детальное исследование производится по пространственному распределению яркости полученного изображения, построенному вдоль выбранной оси. При этом пространственное разрешение определяется как возможностями оптической системы лазерного монитора, так и возможностями используемой компьютерной техники и программного обеспечения[5,9].
По изменениям в распределении яркости изображения отслеживаются изменения в условиях отражения зондирующего излучения, являющиеся следствием изменений состояния поверхности материала под действием лазерного излучения.
Таким образом, возможно выявить момент появления переходной области, возникающей при взаимодействии излучения с веществом, проследить за динамикой ее расширения, регистрировать появление теплового фронта, фронта плавления, окисных фронтов и т.п.
2. Физические процессы при лазерной поверхностной обработке металлических объектов.
Особенностью зоны лазерного воздействия от других источников нагрева является ее слоистое строение. Это объясняется тем, что различные слои нагреваются до разных температур.
Первый слой - зона плавления - получается при закалке из расплавленного состояния. В большинстве случаев он имеет столбчатодендритное строение, первичные оси кристаллов направлены перпендикулярно нижней границе зоны плавления. Основная структурная составляющая - мартенсит. При лазерной закалке без плавления этот слой обычно отсутствует. Несмотря на повышенное количество остаточного аустенита, микротвердость первого слоя углеродистых и низколегированных сталей составляет Н = 8000-10000 МПа и более, что объясняется мелкодис-персностью структур и повышенной дефектностью кристаллической решетки.
Второй слой - зона закалки из твердой фазы - получается при закалке без плавления. Нижняя его граница определяется нагревом до критической температуры, т.е. температуры начала фазовых превращений в сплавах железа. В этом слое осуществляется как полная, так и неполная закалка. Поэтому здесь рядом с мартенситом имеются элементы исходной структуры: феррит в доэвтектоидной стали и цементит в заэвтектоидной стали. Микротвердость в этом слое изменяется в широких интервалах - от 2000-3000 МПа (феррит) до 8000-10000 МПа (мартенсит).
Третий слой - переходная зона - образуется при нагреве металла ниже критической температуры фазовых превращений. Твердость микроструктур в этом случае может быть различной в зависимости от исходного состояния сплава. При лазерной обработке предварительно закаленной и/или отпущенной стали в этом слое происходит понижение микротвердости.
2.1. Механизмы структурообразования при лазерном термоупрочнения поверхности металлических объектов.
Лазерное термическое упрочнение (закалка) металлических сплавов заключается в формировании в сплаве закалочной структуры путем нагрева участка поверхности лазерным излучением с последующим высокоскоростным охлаждением этого участка при окончании воздействия излучения за счет теплоотвода во внутренние объемы материала.
Закономерности термического упрочнения металлических сплавов в настоящее время хорошо изучены. При термообработке в процессе нагрева и охлаждения происходит ряд фазовых превращений с изменением структуры сплава, характер которых определяется термическим циклом, составом сплава и технологической предысторией. Не каждый сплав может быть упрочнен термически. Для термоупрочнения необходимо, чтобы сплав при нагреве и охлаждении мог претерпевать полиморфные превращения (изменить тип кристаллической решетки), переходя из одной кристаллической формы в другую. К таким сплавам относятся углеродистые и легированные стали с а-структурой, чугуны, титановые сплавы с псевдо-а (ОТ4) и а+в структурой (ВТ6, ВТ16), алюминиевые деформируемые сплавы (Д16, Д19) и силумины (АЛ4, АД9), бронзы и др.
Существует большое количество методов термического упрочнения сплавов: объемная закалка, закалка индукционным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ), плазменная закалка и др. В отличие от перечисленных процессов, лазерная закалка имеет ряд характерных особенностей.
Во-первых, она является не объемным, а поверхностным процессом. Во-вторых, время нагрева и охлаждения незначительны, а выдержка при температуре нагрева практически отсутствует. Скорости нагрева и охлаждения поверхностных участков порядка 103-106 К/с.
2.2. Результаты.
Мы наблюдали значительное оплавление поверхности в ряде случаев. Рассмотрим кратко различные полученные режимы, например, для стали марки СТ 45.
1. Удалось зарегистрировать переход от твердой фазы к жидкой фазе для металла на наблюдаемом участке; он находился в расплавленном состоянии Б = 0.384 с. За это время под ним образовалась третья фаза - газовая. Она пузырьками начала всплывать на поверхность, но металл успел затвердеть. Твердость полученной поверхности - 38-40 НК.С. Время затвердевания структуры Z = 0.299 с.
2. Образец находился в жидкой фазе Б = 0.251с. После прохождения фронта волны, шероховатость увеличилась, структура стала более однородной. Твердость образца -46-48 НК.С. Время затвердевания Z = 0.205 с.
3. При длительности нахождения в жидкой фазе Б = 0.147с. наблюдается оплавление в микроструктуре поверхности. Обработанная поверхность стала более шероховатой, структура - более пористой и однородной. Время затвердевания поверхности - Z = 0.154с. Твердость образца - 44-46 НЯС.
4. Оплавление поверхности происходит слишком быстро - некоторые участки образца не подвергаются обработке, капли металла скапливаются рядом, но за счет сил поверхностного натяжения на участки не попадают. Время нахождения в жидкой фазе Б = 0.091с. Твердость образца сравнительно низкая - 42-44 НК.С. На затвердевшей поверхности видны следы застывших капель жидкой фазы материала. Время затвердевания - Z = 0.066 с.
Из полученных результатов видно, что максимальное термоупрочнение СТ45 (при фиксированном параметре мощности силового лазера) было достигнуто при Т = 911° С, что соответствует скорости сканирования лазерного пуч-
ка по поверхности в 4 мм/с. Отметим, что увеличение твердости можно получить предварительно нагрев образец до температуры в 180°С при тех же параметрах используемого в дальнейшем силового лазера.
Заключение
Выполнены предварительные эксперименты по лазерному термоупрочнению с регистрацией динамики модификации поверхности металла в реальном масштабе времени с использованием лазерного проекционного микроскопа.
Проведено несколько модельных экспериментов с высокоточным способом определения временных интервалов, при которых объект находится в жидких/твердых фазах в процессе лазерного термоупрочнения.
Получена и проанализирована зависимость твердости от температуры: из всех измерений наиболее низкий показатель твердости (38-40 НК.С) получен при 1073° С, что согласуется с соответствующей записью видеокамеры.
Максимальная твердость (52-54НК.С) была достигнута при 932°С, при предварительно нагретом образце. Снимки с камеры этого режима показывают значительно более быстрое затвердевание ^ = 0.094с. нахождение в жидкой фазе Б = 0.302с) по сравнению с предварительно не нагретыми образцами при том же режиме ^ = 0.205 с. при Б = 0.251с).
Таким образом, для получения более твердых образцов, используя данную систему наблюдения, реально контролировать два косвенных параметра (которые в основном зависят от мощности силового лазера и скорости сканирования его пучка по поверхности объекта). Первое, - время нахождения в жидкой фазе Б и второе, - скорость затвердевания Z. Время нахождения в жидкой фазе, с одной стороны, не должно превышать 0.4секунд, чтобы избежать вздутия пузырьков на глубине, а с другой, - оно не должно быть менее 0.15с., поскольку тогда поверхность будет обработана не полностью и произойдет снижение параметра твердости. Необходимо также стремиться к уменьшению времени затвердевания - чем быстрее твердеет поверхность, тем она становится тверже.
Список литература
1. Аракелян С.М., Кучерик А.О., Прокошев В.Г., Рау В.Г., Сергеев А.Г. Введение в фемто-нанофотонику. Фундаментальные основы и лазерные методы управляемого получения и диагностики наноструктурированных материалов // Москва: Логос, 2015г. - 744 с., ISBN 978-5-98704-812-2.
2. Батенин В.М., Бойченко А.М., Бучанов В.В., Казарян М.А., Климовский И.И., Молодых Э.И. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов - 2. В 2 т. Том 1. // Под. ред. В.М. Батенина. - М.: «Физматлит» - 2009, 544с.
3. Батенин В.М., Бохан П.А., Бучанов В.В., Евтушенко Г.С., Казарян М.А., Карпухин В.Т., Климовский И.И., Маликов М.М. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов - 2. В 2 т. Том 2. // Под. ред. В.М.Батенина. - М.: «Физматлит» - 2011, 616с.
4. Батенин В.М., Климовский И.И., Калинин С.В., Галкин А.Ф., Данилов С.Ю., Прокошев В.Г., Абрамов Д.В., Аракелян С.М. Лазерный проекционный микроскоп. // Патент РФ на изобретение № 9810644510 зарегистрирован 27.02.2000 г.
5. Голубев В.С. Анализ моделей динамики глубокого проплавления материалов лазерным излучением. Препринт ИПЛИТ РАН № 83, Шатура, 1999, 161 с.
6. Прокошев В.Г., Климовский И.И., Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Галкин А.Ф., Григорьев А.В. Лазерный проекционный микроскоп. // Патент РФ на изобретение № 96122043 зарегистрирован 20.01.1999 г.
7. Прокошев В.Г., Галкин А.Ф., Климовский И.И., Данилов С.Ю., Абрамов Д.В., Аракелян С.М. Нестационарные лазерные термохимические процессы на поверхности металлов и их визуализация при помощи лазерного усилителя яркости. // Квантовая электроника -1998. - Т.25. - № 4. - С. 337-340.
8. Прокошев В.Г., Багаев С.Н., Кучерик А.О., Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Климовский И.И. Гидродинамика расплава поверхности металла при лазерном воздействии; наблюдение смены режимов в реальном времени. Доклады Академии наук. 2004. Т. 395. № 2. С. 183-186
9. Ринкевичюс Б.С. Лазерная диагностика потоков. М.: Издательство МЭИ, 1990, 288 с.
