CC BY
4
УДК 621.7.014.2:533.697.4
DOI: 10.24412/0321-4664-2024-3-41-47
ВЛИЯНИЕ ВОДЯНОГО СОПЛА
НА РЕЗУЛЬТАТ ЛАЗЕРНОЙ УДАРНОЙ ОБРАБОТКИ
Илья Александрович Новиков, Сергей Николаевич Орлов, канд. физ.-матем. наук,
Андрей Ильич Штыпель, Сергей Александрович Шибаев
ФАУ «ЦИАМ им. П.И. Баранова», Москва, Россия, e-mail: [email protected]
Аннотация. Неотъемлемой частью процесса лазерной ударной обработки является водяная пленка на поверхности обрабатываемой детали. В статье рассмотрен вопрос формирования толстого водяного слоя на поверхности обрабатываемой лазерным ударом детали. Измерены толщины водяных пленок, получаемых при различных условиях их формирования. Методом рентгеновской дифрактоме-трии измерены наводимые остаточные напряжения. Показано, что увеличение слоя воды с толщины 0,2 мм до толщины порядка 1 мм может приводить к выигрышу в наводимых остаточных напряжениях, даже несмотря на сопутствующую утолщению нестабильность поверхности воды.
Ключевые слова: лазерная ударная обработка; плазма; толщина водяной пленки; рентгеновская дифрактометрия
An Influence of Water Nozzle on the Result of Laser Impact Treatment. Il'ya A. Novikov, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics) Sergey N. Orlov, Andrey I. Shtypel', Sergey A. Shibayev
Central Institute for Aviation Motor Development named after P.I. Baranov, Moscow, Russia, e-mail: [email protected]
Abstract. An integral part of the laser impact treatment is a water film on the work piece surface. The article considers the formation of a thick water layer on the surface of a work piece treated by the laser impact. The thickness of water films produced under various conditions of their formation are measured. The induced residual stresses are measured by the X-ray diffractometry. It is shown that an increase in the water layer from 0.2 mm up to about 1 mm can lead to a gain in induced residual stresses, even despite the instability of the water surface accompanying the thickening.
Keywords: laser impact treatment; plasma; water film thickness; X-ray diffractometry
Введение
Лазерная ударная обработка (ЛУО) - технология поверхностного пластического деформирования (ППД) деталей, которая может применяться для улучшения прочностных свойств деталей, в частности, сопротивления усталости и коррозии [1, 2], в том числе для предотвращения усталостных разрушений титановых лопаток компрессоров и других деталей двигателей. Эти разрушения могут быть спровоцированы попаданиями посторонних предметов в газовоздушный тракт двигате-
ля, фреттингом и т.д. Суть ЛУО заключается в том, что лазерный импульс фокусируется на поверхности обрабатываемой детали, которая накрыта прозрачным инерционным слоем (обычно это вода). Лазерный импульс мгновенно испаряет и ионизирует поверхность детали (или защитного слоя, нанесенного на деталь), что способствует образованию плазмы, имеющей очень высокое давление. Инерционный слой не дает плазме расшириться мгновенно, что приводит к многократному росту давления плазмы по сравнению с абляцией в газе или в вакууме (рис. 1).
Собирающая линза
■ 1—5 ГПа
0,5—5
\^ Вода
Ударная волна Металл
Абляционное
(теплозащитное)
покрытие
Рис. 1. Принципиальная схема ЛУО (размеры в мм)
При разработке технологии ЛУО один из важных вопросов наряду с выбором зон обработки и параметров лазерного излучения - подбор способа подведения воды и режима течения.
Показано, что свойства водяного слоя могут существенно сказываться на результатах ЛУО. Так, в работе [3] показано, что чем выше скорость течения водяной пленки, тем больше пиковое давление плазмы, однако очевидным это влияние становится только на частотах обработки порядка 50 Гц. Также в работе [4] показано, что влияние толщины водяного слоя на микротвердость обработанных образцов имеет существенно нелинейный характер и при параметрах, представленных в работе, имеет пик на отметке примерно 3 мм. При этом не найдено работ, в которых рассматривалось бы влияние гладкости поверхности водяного слоя на результаты ЛУО. Очевидно, что неровная поверхность воды работает как линза переменной кривизны и приводит к серьезным неравномерностям в распределении энергии лазера, что, в свою очередь, будет уменьшать давление плазмы. Неясной остается количественная оценка влияния этой неравномерности или сравнение этого влияния с влиянием других факторов (например, толщины водяной пленки). Практических рекомендаций по выбору водяного сопла и расположению струи воды относительно места попадания лазерного импульса сегодня также нет.
В промышленном применении ЛУО обычно имеет место схема обработки, при которой лазерный луч расположен горизонтально, а обрабатываемая поверхность - вертикально. При такой схеме обеспечить равномерно стекающий слой воды большой толщины невозможно из-за того, что силы поверхностного натяжения стремятся схлопнуть толстый слой воды в струю
круглого сечения или жгут. Это приводит либо к полному разрушению водяной пленки, либо к образованию на ее поверхности заметных складок. В научных работах (например [5-7]), как правило, при обработке деталей и образцов используют слой воды толщиной несколько миллиметров, что наталкивает на мысль о заметной неравномерности водяного потока.
В настоящей работе предпринята попытка оценить целесообразность утолщения водяной пленки при одновременном неизбежном усилении неравномерности потока, так как есть веские основания полагать, что утолщение слоя воды поможет существенно повысить давление плазмы и, следовательно, наводимые остаточные напряжения.
В качестве основного материала образцов была выбрана сталь ввиду простоты измерений остаточных напряжений методом рентгеновской дифрактометрии, а также ввиду относительной простоты полировки поверхности. При этом результаты работы могут быть перенесены на любой сплав, в том числе титановый, поскольку рассматриваемые эффекты лежат за пределами металла и относятся к течению водяного слоя и поведению плазмы.
Образцы, материалы и лазерная ударная обработка
Два образца представляли из себя цилиндры диаметром 20 мм и длиной 20 мм. Обработке подвергали цилиндрическую поверхность, полированную до шероховатости Ра 0,1. Материал образцов - сталь 30ХГСА, заготовка - пруток, термообработка - закалка с 880 °С в масле, отпуск при 510-570 °С, охлаждение в масле. Твердость поверхностей необработанных образцов составляла 32-35 НРС.
Лазерную ударную обработку проводили по одной из двух схем с вертикальным натекани-ем воды, представленных на рис. 2 (красной стрелкой показано направление лазерного луча). Схему а условно будем называть схемой со стеканием, схему б - с растеканием.
Схемы, представленные на рис. 2, принципиально отличаются тем, что в случае а за формирование потока воды отвечает, в первую очередь, срез сопла (стандартная трубка подачи смазочно-охлаждающей жидкости для станков с прямоугольной щелью размерами 2x20 мм), вода в форме струи, образованной
соплом, стекает по поверхности. В случае б пленка формируется за счет сил инерции, вода при попадании струи на поверхность с силой разбрасывается в стороны и растекается по поверхности.
Лазерная обработка проведена с помощью импульсного лазера Nd:YAG с длиной волны 1064 нм. Энергия импульса лазера составляла 0,67 Дж. Измеренное распределение интенсивности лазера во времени показано на рис. 3.
Согласно измерениям, ширина импульса по полувысоте составила 22 нс. Измеренное пространственное распределение энергии лазера при диаметре фокуса по полувысоте 0,44 мм и энергии импульса 0,67 Дж показано на рис. 4.
Распределение интенсивности лазера по радиусу луча близко к распределению Гаусса.
Рис. 2. Схемы подачи воды со стеканием (а) и с растеканием (б), а также сопла для схем со стеканием (в) и с растеканием (г)
Измерения
0,6 - I \
ь! / \
^ 0,4 - I \
0,2 - / \
0,0 --- ■
_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70
г, нс
Рис. 3. Распределение интенсивности лазерного излучения во времени
-0,5-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
г, мм
Рис. 4. Пространственное распределение энергии лазерного импульса
толщин водяных пленок
Для измерения толщины водяной пленки, получаемой при различных режимах течения, было собрано приспособление, показанное на рис. 5. Измерение осуществляли механическим способом: за толщину воды принимали разницу координат микрометрического винта в положениях, когда щуп касается стекла и когда щуп касается поверхности воды. Момент касания щупом поверхности воды однозначно определяется моментом образования на подложке тени от обтекания щупа водой.
Средние величины измеренных толщин водяной пленки представлены в таблице.
На изменение толщины водяного слоя также может влиять геометрическая форма обрабатываемой детали. Для оценки влияния этого фактора были проведены измерения в конфигурации, показанной на рис. 6. В качестве модельной детали использовали алюминиевый брусок с клиновидным концом.
Толщину водяной пленки измеряли на различных расстояниях от щупа до центра струи, а также при различных режимах течения жидкости на срезе сопла - ламинарном, турбулентном и пограничном (при Ре ~ 1000; Ре ~ 3000; Ре ~ 2000 соответственно). Режим
Рис. 5. Измерение толщины водяной пленки
течения пленки во всех случаях совпал с режимом течения на срезе сопла. Привязка к Ре сопла обусловлена тем, что одному числу Ре истечения из сопла соответствуют разные
Рис. 6. Оценка влияния формы детали на толщину водяной пленки
числа Ре течения в разных местах пленки. Ре пленки характеризует ее в том случае, когда измерение проводится на бесконечном удалении от источника, и пространственные изменения толщины и скорости пленки пренебрежимо малы. Срез сопла - то место, которое однозначно (или почти однозначно) может характеризовать толщину и скорость пленки в разных точках обрабатываемой поверхности.
Наблюдения показали, что для гладких пленок (сопла 1-111) толщина водяного слоя резко начинает увеличиваться в окрестности струи, при этом слой воды не перестает быть гладким, однако приобретает постоянную кривизну в нескольких направлениях. На расстоянии же больше 2-4 диаметров круглого сопла пленка имеет приблизительно постоянную толщину.
Изменение режима течения жидкости на срезе сопла не оказывает однозначного вли-
Средние толщины водяной пленки, мм
Режим течения Сопло 02 мм (I) Сопло 06 мм (II) Сопло 08 мм (III) Плоское сопло (IV)
При расстоянии до центра струи, мм При расстоянии до центра струи, мм При расстоянии до центра струи, мм При расстоянии до центра струи, мм
13 27 48 13 27 48 13 27 48 13 27 48
Ламинарный 0,29 0,33 * 0,63 0,32 0,32 1,04 0,44 0,57 **
Пограничный 0,28 0,27 0,29 0,89 0,43 0,43 0,87 0,43 0,47 0,94 0,71 0,63
Турбулентный 0,34 0,18 0,26 0,82 0,40 0,35 0,76 0,41 0,47 1,02 0,67 0,64
Пограничный, клин 0,27 0,24 1,1
* Размер зоны растекания оказался меньше 48 мм. ** Струя в ламинарном режиме схлопывается в неровный закрученный жгут на расстоянии нескольких мм от среза сопла.
яния на толщину водяной пленки. Для увеличения толщины водяной пленки до величин порядка 1 мм необходимо располагать место попадания лазерного луча очень близко к месту попадания струи воды (1-1,5 диаметра сопла) и использовать по возможности сопла как можно большего диаметра - настолько большого, насколько позволяет геометрическая форма обрабатываемой детали.
Наличие поворота на пути водяного потока, а также конечность омываемой площадки (ширина клина 15 мм) приводит к тому, что разница между толщинами пленок, образованных соплами разных диаметров, практически пропадает, а сама толщина не превышает 0,3 мм. При этом схема стекания (сопло IV) обеспечивает возможность сохранения большой толщины пленки и на сложной геометрии. Качество же поверхности воды, которое способно обеспечить сопло IV намного хуже обеспечиваемого остальными соплами. Вопрос заключается в том, сохранится ли выигрыш в давлении плазмы, обеспечиваемый толщиной воды, при значительно большей неровности поверхности воды.
Оценка равномерности потока воды
Для оценки влияния поверхности воды на пучок лазерного излучения был проведен дополнительный эксперимент по обработке отдельных точек на образце. В каждую точку приходилось по 3 импульса. Были рассмотрены 2 режима: с соплом I и с соплом IV в пограничном режиме. Толщины слоев воды в рассмотренном случае были приблизительно 0,25 и 0,7 мм соответственно. Параметры лазерного импульса были такими же, как описанные в предыдущих разделах. Оценку влияния поверхности воды проводили по отпечаткам на абляционном слое, которые запечатлевают распределение температуры по поверхности образца на протяжении всего импульса. В качестве критерия равномерности потока воды было принято отношение средних площадей отпечатков, полученных на двух режимах. Результат показан на рис. 7.
Очевидно, что неровная поверхность воды пагубно влияет на пучок лазерного излучения. Измерения площадей отпечатков показали, что увеличение неравномерности водяного слоя привело к увеличению площади отпе-
Рис. 7. Отпечатки на абляционном слое при использовании сопел IV (сверху) и I (снизу)
чатка (а следовательно, уменьшению средней плотности мощности) в среднем в 2 раза.
Сравнение результата ЛУО с соплами I и IV
В качестве критерия результата ЛУО выбраны вызванные ею остаточные напряжения (ОН). Измерение последних проводили методом рентгеновской дифрактометрии с получением эпюры по глубине с помощью электрохимического травления. Напряжения во всех случаях измеряли в окружном направлении (рис. 8).
Из результатов измерений ОН видно, что существенное ухудшение поверхности водяной пленки не смогло снизить эффект от ее утолщения примерно в 2,5 раза. Максимальные сжимающие ОН при обработке с соплом I составили -370 МПа. Максимальные сжимающие ОН при обработке с соплом IV составили -690 МПа.
Глубина, мкм
200
400
600
800
1000
-100 | -200 1 -300
I
& -400
-600
-700 -800
к. ▲ ▲
к ▲ ■ ■ ■
■ ■
■ 1
А Сопло I (слой воды примерно 0,25 мм)
■ Сопло IV (слой воды примерно 0,7 мм) ♦ Исходная полировка 1 1 1
Рис. 8. Остаточные напряжения, наведенные ЛУО с водяными соплами I и IV
Обсуждение результатов
Как правило, в работах по изучению ЛУО используют водяной слой толщиной 1-3 мм. Так, в работах [5, 8-10] используют слой толщиной
1 мм, в работах [7, 11, 12] - толщиной 1,5 мм, в работах [5, 6, 11, 13, 14] -толщиной более
2 мм. Только в некоторых из этих работ встречается упоминание о том, используется поток воды или стоячая вода, а также информация о расположении обрабатываемой поверхности (вертикальное или горизонтальное). Так, в работах [11, 15] обрабатываемая поверхность расположена горизонтально, в работе [6] указано, что слой воды текущий, а обрабатываемая поверхность расположена вертикально. При этом фотографий водяного слоя в работах нет. С другой стороны, в промышленности применяют, как правило, схему 1-111 с соплом диаметром до 10 мм с расстоянием до струи несколько десятков миллиметров, которая, как было показано выше, не может обеспечить толщину слоя больше 0,4-0,5 мм (рис. 9).
Создать слой текущей воды толщиной порядка хотя бы 1 мм без формирования стенок канала очень сложно или даже невозможно. При использовании плоского сопла и схемы со стеканием неминуемо ухудшается качество поверхности водяного слоя. Это связано с природой сил поверхностного натяжения, стремящихся придать струе круглую форму. Так как струю, с одной стороны, ограничивает поверхность детали, на водяной пленке неминуемо зарождаются множественные зачатки свертывания в круглое сечение, которые и образуют складки поверхности. Пока не встречается работ, посвященных количественной или хотя бы качественной оценке влияния этого фактора на результат ЛУО.
Рис. 9. Демонстрация оборудования для промышленной ЛУО [16]
С другой стороны, известно, что увеличение толщины водяного слоя благотворно сказывается на величине давления плазмы. Увеличение толщины водяного слоя пресекает возможный выход плазмы высокого давления за пределы водяного слоя и последующее прерывание ударного воздействия. Так, по грубым оценкам согласно модели из [17], толщина плазмы в воде для рассматриваемого режима обработки должна составлять в конце процесса примерно 200 мкм, что сопоставимо с измеренными толщинами пленок. Таким образом, необходимая для полного предотвращения выхода плазмы толщина водяной пленки должна составлять хотя бы на порядок больше - 2 мм. С увеличением толщины водяного слоя возрастает разница плотностей мощности лазерного излучения на поверхности вода-воздух и поверхности вода-деталь, что снижает вероятность возникновения пробоя (паразитной плазмы) на поверхности вода-воздух и позволяет увеличивать допустимую плотность мощности излучения [3, 18]. Однако этот эффект заметен только при использовании короткофокусных (до 150 мм) линз и толстых слоев воды в несколько миллиметров.
Известно, что скорость потока воды влияет на давление плазмы. В первую очередь, через возможность восстановления водяного слоя между импульсами. В работе [3] показано, что такое влияние заметно проявляется на частотах следования порядка 50-100 Гц, что практически не применяется в промышленности в контексте классической схемы ЛУО, однако эксперименты проводились при скоростях водяной пленки 1 и 10 м/с, что несколько выше скоростей пленок, получавшихся в настоящей работе (-0,1-1 м/с). Нельзя исключить, что полученный результат также связан с увеличением скорости течения водяной пленки при использовании сопла IV.
Следует также отметить необходимость учета толщины слоя воды и его гладкости в математическом моделировании ЛУО, так как основные существующие модели для расчета давления плазмы предполагают, что слой воды бесконечно толстый [17, 19, 20].
Выводы
1. При использовании схемы с растеканием для утолщения водяной пленки необхо-
димо использовать водяные сопла как можно большего диаметра, и располагать точку попадания струи в деталь как можно ближе к зоне воздействия лазера. Возможный диаметр сопла определяется геометрической формой детали и возможностями обеспечить требуемый расход воды. Целесообразная зона попадания лазерного луча - на расстоянии примерно 1-1,5 диаметра сопла ниже центра струи.
2. Использование схемы со стеканием позволяет поддерживать большую толщину слоя воды даже при прохождении поворотов и при
ограниченной ширине обрабатываемой зоны, однако использование такой схемы влечет за собой неминуемое ухудшение качества поверхностного слоя воды.
3. Утолщение водяной пленки сказывается на давлении плазмы значительно сильнее, чем ухудшение качества поверхности воды даже при условии, что диаметр пучка лазерного излучения меньше толщины водяного слоя, т.е. при выборе режима подачи воды следует, в первую очередь, руководствоваться толщиной водяного слоя и уже потом его качеством.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ/REFERENCES
1. Sundar R. et al. Laser shock peening and its applications: a review // Lasers in Manufacturing and Materials Processing. 2019. Vol. 6. No. 4. P. 424-463.
2. Montross Ch. et al. Laser shock processing and its effects on microstructure and properties of metal alloys: a review // International Journal of Fatigue. 2002. Vol. 24. No. 10. P. 1021-1036.
3. Berthe L., Courapied D., El Karnighi S., Peyre P., Gorny C. Study of laser interaction in water flow confinement at high repetition rate // Journal of Laser Applications. 2017. November. 29 (4). 2019.
4. Kadhim A., Salim E.T., Fayadh S.M., Al-Amiery A.A., Kadhum A.A.H., Mohamad A.B. Effect of multipath laser shock processing on microhardness, surface roughness, and wear resistance of 2024-T3 Al alloy // The Scientific World Journal. 2014 (5). 400951.
5. Nie X., He W., Cao Z., Song J., Li X., Pang Z., Yan X. Experimental study and fatigue life prediction on high cycle fatigue performance of laser-peened TC4 titanium alloy // Materials Science and Engineering: A. 2021. Vol. 822. P. 141658.
6. Ren X., Chen B., Jiao J., Yang Y., Zhou W., Tong Z. Fatigue behavior of double-sided laser shock peened Ti-6Al-4V thin blade subjected to foreign object damage // Optics & Laser Technology. 2020. Vol. 121. P. 105784.
7. Dai F.Z., Geng J., Tan W.S., Ren X.D., Lu J.Z., Huang S. Friction and wear on laser textured Ti6Al4V surface subjected to laser shock peening with contacting foil // Optics & Laser Technology. 2018. Vol. 103. P. 142-150.
8. Luo K.Y., Liu B., Wu L.J., Yan Z., Lu J.Z. Tensile properties, residual stress distribution and grain arrangement as a function of sheet thickness of Mg-Al-Mn alloy subjected to two-sided and simultaneous LSP impacts // Applied Surface Science. 2016. Vol. 369. P. 366-376.
9. Azevedo L., Kashaev N., Horstmann C., Ventzke V., Furtado C., Moreira P.M.G.P., Tavares P.J. Fatigue behaviour of laser shock peened AISI D2 tool steel // International Journal of Fatigue. 2022. Vol. 165. P. 107226.
10. Su B., Wang H., Cao Y., Pei X., Hua G. Local deformation and macro distortion of TC4 titanium alloy during laser shock processing // The International Jour-
nal of Advanced Manufacturing Technology. 2020. Vol. 106. No. 11-12. P. 5421-5428.
11. Chen C., Zhang X., Yan X., Ren J., Huang D., Qi M. Effect of laser shock peening on combined low- and high-cycle fatigue life of casting and forging turbine blades // Journal of Iron and Steel Research International. 2018. Vol. 25. No. 1. P. 108-119.
12. Wang F., Zhang C., Yan X., Deng L., Lu Y., Nasta-si M., Cui B. Microstructure-property relation in alumina ceramics during post-annealing process after laser shock processing // Journal of the American Ceramic Society. 2018. Vol. 101. No. 11. P. 4933-4941.
13. Sun R., Li L., Guo W., Peng P., Zhai T., Che Z., Li B., Guo C., Zhu Y. Laser shock peening induced fatigue crack retardation in Ti-17 titanium alloy // Materials Science and Engineering: A. 2018. Vol. 737. P. 94-104.
14. Ge M.-Z., Xiang J.-Y., Tang Y., Ye X., Fan Z., Lu Y.L., Zhang X.H. Wear behavior of Mg-3Al-1Zn alloy subjected to laser shock peening // Surface and Coatings Technology. 2018. Vol. 337. P. 501-509.
15. Caslaru R. Fabrication, characterization, and tribo-logical performance of micro dent arrays produced by laser shock peening on Ti-6Al-4V alloy. P. 130.
16. Laser Shock Peening in slow motion. URL: https:// youtu.be/1I3xiPZRfrQ?si=Ymi3jBsQ3x8yLAbA.
17. Fabbro R., Fournier J., Ballard P., Devaux D., Vir-mont J. Physical study of laser-produced plasma in confined geometry // Journal of Applied Physics. 1990. Vol. 68. No. 2. P. 775-784.
18. Rondepierre A., Rouchausse Y., Videau L., Casa-grande O., Castelnau O., Berthe L. Laser interaction in a water tank configuration: Higher confinement breakdown threshold and greater generated pressures for laser shock peening. 2021. No. 33.
19. Wu X., Huang C., Wang X., Song H. A new effective method to estimate the effect of laser shock peening // International Journal of Impact Engineering. 2011. Vol. 38. No. 5. P. 322-329.
20. Wu B., Shin Y.C. A self-closed thermal model for laser shock peening under the water confinement regime configuration and comparisons to experiments // Journal of Applied Physics. 2005. Vol. 97. No. 11. P. 113517.
