Технология с 2002 г. используется в США [1, 2] (в частности, фирма P&W для двигателей F119 и F136), Великобритании (Rolls­Royce) и, с недавнего времени, в Китае. В настоящее время оборудование и технологии лазерного наклепа не продаются, предлагаются только услуги. В связи с этим возникает необходимость развивать данную технологию на отечественном оборудовании.

Суть технологии заключается в следующем:

• на обрабатываемую поверхность наносится  поглощающий материал (краска, лак или пленка);
• через слой воды на деталь  воздействуют  сверхмощным крат­ковременным лазерным импульсом (плотность мощности  ~ 10 ГВт/см²);
• под воздействием излучения испаряемая краска превращается в плазму, вызывающую ударную волну, воздействующую на металл и создающую в нем сжимающие напряжения.

Вода, в данном случае, играет роль опорной инерционной среды и многократно увеличивает эффективность воздействия. Создаваемые сжимающие напряжения   достигают сотен МПа на поверхности и в объеме   образца, препятствуют развитию усталостных трещин. 

В  отличие от дробеструйной обработки, которая представляет собой совокупность точечных ударных воздействий с малой зоной контакта (Æ 0. 01 ÷ 0.15 мм), вызывающих сферические затухающие ударные волны с результирующими остаточными  сжимающими напряжениями по нормали и растягивающими напряжениями в тангенциальном направлении, лазерное излучение вызывает  ударную волну (давлением до 100 кбар) на большой площади (до Æ 11 мм) с высокой направленностью и сравнительно слабым затуханием,  проходящую на сравнительно большую глубину (несколько мм) в металл [3, 4].

Рис. 1 Принципиальная схема эксперимента

Ударная волна по мере прохождения внутрь объема создает зоны пластической деформации, постепенно теряя свою энергию. При этом предположительно происходят некоторые фазовые изменения обрабатываемого материала, связанные с компактизацией кристаллической решетки, изменения в структуре электронных уровней и зон и, соответственно, макроскопических характеристик материала.

 В данной статье представлены результаты экспериментов по поиску вариантов технологии лазерного наклепа. 

Лазерной обработке подвергались образцы из стандартного конструкционного материала для компрессорных лопаток ВТ6 при различных режимах работы лазера.

Сплав ВТ6 (обозначение титанового сплава западного аналога Ti­6Al­4V) является двухфазным α + β сплавом. Химический состав сплава [5] представлен в табл. 1.

В экспериментах использовались 2 типа образцов: пластины для поиска вариантов технологии и образцы для усталостных испытаний. 

Рис. 2  Характерный вид и размеры образца для усталостных испытаний. Зона воздействия излучения выделена 

Эксперименты по воздействию лазерного излучения на образцы проводились на установке, представляющей собой лазер на неодимовом стекле, основанный на генерации и усилении излучения с управляемой когерентностью, что позволяет, в принципе, получать заданное распределение интенсивности в поперечном сечении пучка.

Параметры лазерного излучения, приходящего на образец, следующие:

—  длина волны ~1060 нм

—  ширина линии излучения 42 Å,

—  энергия излучения 1 ÷ 100 Дж,

—  расходимость излучения ~ 10^­3 рад,

—   плотность потока мощности 10⁸ ÷ 10¹²  Вт/см².

 С целью оптимизации воздействия лазерного излучения на образец варьировались следующие параметры: плотность мощности излучения, материал покрытия, метод нанесения покрытия, толщина покрытия, толщина слоя воды. Необходимо отметить, что нестабильность энергии импульса, наличие «горячих точек» в поле излучения и существенная неоднородность нанесения поглощающего покрытия приводят к разбросу параметров воздействия, которые накладываются на разброс механических характеристик исходных образцов, затрудняя анализ полученных результатов. Эти же факторы приводят к прорыву излучения непосредственно на поверхность металла, что ведет к лучевому повреждению поверхности образца и, соответственно, появлению мест зарождения трещин, т.е. потенциальному разрушению материала образца.

Следует также отметить, что при полном соблюдении технологии, поверхность образца, подвергнутого лазерному наклепу, визуально ничем не отличается от поверхности необработанной детали.

На образцах, подвергнутых лазерному наклепу, были произведены следующие исследования:

• измерение уровня и знака остаточных напряжений на поверхности образцов и зависимости  их от  плотности мощности;
• создание металлографических шлифов в поперечном сечении через зону наклепа;
• измерение микротвердости по сечению образца через зону обработки;
• проведение капиллярной дефектоскопии обработанной поверхности.

Измерения остаточных напряжений  в поверхностном слое производились методом sin²ψ на аппарате ДРОН 3М при облучении участка поверхности пучком характеристического рентгеновского излучения размером 5х8 мм  с применением графитового монохроматора, источник излучения – трубка с медным анодом (длина волны 0,17 нм). Съемка линий рентгеновских интерференций производилась по точкам в диапазоне углов 2θ = 138° ─ 145°, с интервалом 0.1°, экспозицией 10 с, при углах ψ, равных  0°, 30°, 50°. Погрешность измерения составляет от 30 до 60 МПа в зависимости от состояния обработанной поверхности. Расстояние от края  2 ÷ 10 мм, усреднение измеренной величины по глубине составляет 10 мкм от поверхности.

В результате измерений получены сжимающие напряжения, величина которых на обработанной поверхности доходила до 565 МПа. Ударная волна проходила через весь образец, при этом величина сжимающих напряжений на противоположной стороне одного из образцов доходила до 320 МПа (табл. 2).

Рис. 3 Зависимость компрессионных напряжений на поверхности образца от   плотности мощности лазерного излучения

Рис. 4 Общий вид экспериментальной лазерной установки

Металлографические исследования  микрошлифов поперечных сечений образцов в зоне обработки на оптическом микроскопе МИМ­8 при увеличении  до 500x×  изменений структуры не выявили. При контроле обработанной поверхности методом люминесцентной дефектоскопии (ЛЮМ 1­ОВ) микротрещин и других дефектов не обнаружено.

Микротвердость зоны обработки измеряли на микротвердомере ПМТ­3 по методу Виккерса при нагрузке 50 г. Измерения проводились на глубине 30 мкм от поверхности. Результаты приведены в табл. 3.

Для оценки эффекта лазерного наклепа была произведена серия сравнительных испытаний образцов, подвергнутых лазерному наклепу и без такового. Было изготовлено 40 образцов.

Усталостные испытания проводились на базе 2·10⁷ циклов (средняя частота ~ 460 Гц) с приложением различной нагрузки. Прошедшим испытание считался образец, выдержавший 2·10⁷ циклов при данной нагрузке.

На 10­ти контрольных образцах, не подвергнутых лазерной обработке, максимальная нагрузка, при которой не происходило разрушение, составила 30 кгс/мм²,причем на большей части образцов эта величина составила 28 кгс/мм².

Максимальная величина нагрузки, при которой прошли испытания образцы с лазерным наклепом, составила 36 кгс/мм².

Обнаружено появление компрессионных напряжений на стороне противоположной наклепу, что требует проведения дальнейших исследований.

Таким образом, показана возможность проведения лазерного наклепа на отечественном оборудовании. При этом технология позволила получить превышение усталостной прочности на 20% по сравнению с образцами, не подвергнутыми  обработке.

Ю.Ж. Исаенко, М.В. Осипов

В.Н. Пузырев, М.А. Розанов

В.А. Соломонов, А.Н. Стародуб

Лыткаринский машиностроительный завод

Литература:

1. S.N. Atluri, C.E. Harris, A. Hoggard, N.G. Miller, S.G. Sampass. Durability of metal aircraft  structures. Proceedings of the International Workshop on Structural Integrity of Aging Airplanes, March 31 – April 2, 1992, Atlanta
2. David W. Sokol, Allan H. Clauer, Ravi Ravindranath. Application of laser peening to titanium alloys. ASME/JSME 2004 Pressure Vessels and Piping Division Conference, San Diego, CA, July 25­29, 2004
3. Craig T. Walters. Laser generation of 100­kbar shock waves in solids. Shock compression of condensed matter 1991. S.C. Schmidt, R.D. Dick, J.D. Forbes, D.G. Tasker (editors). Copyright 1992 Elseiver Science Publishers B.V. All rights reserved.
4. C.T. Walters, A. H. Clauer, B.E. Campbell. Laser shock effects on stressed structural material ­ experimental results. Proceedings of the Sixth DOD Conference on DEW Vulnerability, Survivability and Effects, Gaithhersburg MD (May 12­15, 1987).
5. Справочник «Авиационные материалы» под общ. ред. чл.­корр. АН СССР А.Т. Туманова т.5. Магниевые и титановые сплавы, М. ОНТИ, 1973, 585 с.