Влияние плотности мощности излучения лазера, количества проходов и коэффициента перекрытия зон упрочнения на уровень остаточных напряжений, глубину залегания и шероховатость в образцах из титанового сплава

Исследовано влияние режимов лазерной ударной обработки на параметры поверхностного слоя образцов из титанового сплава. Используемые в авиадвигателестроении методы дробеструйной и гидродробеструйной обработок создают благоприятную эпюру остаточных напряжений на глубину до 0,2 мм, однако этого недостаточно для обеспечения требуемого уровня усталостной прочности деталей при их повреждении от попадания посторонних предметов на глубину до 1 мм. В целях повышения стойкости образцов рассмотрено упрочнение методом лазерной ударной обработки. Объектом исследования являлся плоский образец размером 50?40?2 мм из титанового сплава. Лазерная ударная обработка образцов выполнена твердотельным Nd:YAG лазером. В качестве защитного слоя использована алюминиевая фольга толщиной 80 мкм. Показана принципиальная возможность достижения глубины остаточных напряжений сжатия более 1,5 мм, что больше, чем при других методах обработки. Установлено, что при плотности мощности излучения лазера (0,40…0,86)I/Imax уровень остаточных напряжений сжатия выходит на асимптоту и значительно не изменяется. При увеличении числа проходов остаточные напряжения сжатия возрастают на 10…15 %. Отмечено, что после двух проходов лазера уровень остаточных напряжений и глубина их распространения больше, чем после одного прохода. Коэффициент перекрытия лазерных пятен также позволяет увеличить уровень и глубину остаточных напряжений сжатия, но оказывает на них меньшее влияние, чем другие параметры. В диапазоне плотности мощности излучения лазера (0,3…0,6)I/Imax параметр шероховатости поверхности выходит на асимптоту Ra = 0,4 мм. Установлено, что для деформации образца определяющими параметрами являются плотность мощности излучения и число проходов лазера. При плотности мощности излучения лазера до 0,4I/Imax деформация резко возрастает до 0,2 мм и остается неизменной до 0,8I/Imax.
EDN: KMLEZS, https://elibrary/kmlezs

Литература

[1] Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 2. Москва, Машиностроение, 2008. 368 c.

[2] Нгуен Т.Ш. Методика оценки влияния эксплуатационных повреждающих воздействий на качество функционирования компрессора ГТД. Автореф. дисс. … канд. тех. наук. Москва, МАИ, 2022. 24 с.

[3] Волков Д.И., Гущин А.Ю., Рыкунов А.Н. Технологические возможности обработки металлическими и стеклянными микрошариками материалов ВТ9 и ЭИ787ВД. Упрочняющие технологии и покрытия, 2017, т. 13, № 8, с. 365–369.

[4] Непеин К.Г., Селиванов И.А. Повышение характеристик сопротивления усталости рабочих лопаток компрессора, изготовленных из титанового сплава. Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника, 2019, № 57, с. 129–136, doi: https://doi.org/10.15593/2224-9982/2019.57.10

[5] Ширяев А.А., Габов И.Г., Миленин А.С. Влияние лазерного ударного упрочнения на параметры поверхностного слоя лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титанового сплава. Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение, 2024, № 1, с. 66–73.

[6] Ширяев А.А., Габов И.Г., Попова Ю.В. Влияние LSPwC на параметры поверхностного слоя лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титанового сплава. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2024, № 3, с. 32–41. EDN: JEEASU

[7] Новиков И.А., Ножницкий Ю.А., Шибаев С.А. Мировой опыт в исследовании и применении технологического процесса лазерной ударной обработки металлов (обзор). Авиационные двигатели, 2022, № 2, с. 59–82, doi: https://doi.org/10.54349/26586061_2022_1_59

[8] Гачетова Е.А., Сихамов Р., Фенцке Ф. и др. Влияние лазерной ударной проковки на мало- и многоцикловую усталость титанового сплава ОТ4-0. Прикладная механика и техническая физика, 2022, т. 63, № 2, с. 182–191, doi: https://doi.org/10.15372/PMTF20220217

[9] Sundar R., Ganesh P., Gupta R.K. et al. Laser shock peening and its applications: a review. Lasers Manuf. Mater. Process., 2019, vol. 6, no. 7, pp. 424–463, doi: https://doi.org/10.1007/s40516-019-00098-8

[10] Ширяев А.А., Габов И.Г., Миленин А.С. и др. Сравнение методов упрочнения на предел выносливости лопаток из титанового сплава. Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение, 2023, № 4, с. 109–117.

[11] Моделирование лазерной ударной проковки. URL: https://www.icmm.ru/images/pages/news/newsfiles/supersonic/seminar_01_11_2022/Kostina_et.al._LSP_2022.pdf (дата обращения: 15.06.2024).

[12] Ляховецкий М.А., Королев Д.Д., Кожевников Г.Д. и др. Лазерное ударное упрочнение титанового сплава ВТ6 с алюминиевым абляционным покрытием. В: Быстрозакаленные материалы и покрытия. Москва, Пробел-2000, 2021, с. 258–263.

[13] Зо Й.М. Ударная обработка цветных металлов и сплавов маломощными лазерными источниками. Автореф. дисс. … канд. тех. наук. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020. 18 с.

[14] Wang M., Konovalov S., Dai F. et al. Influence of process parameters on laser shock processing effect of aero-engine blades. J. Surf. Investig., 2022, vol. 16, no. 6, pp. 1208–1220, doi: https://doi.org/10.1134/S102745102206043X

[15] Nie X., He W., Li Q. et al. Experiment investigation on microstructure and mechanical properties of TC17 titanium alloy treated by laser shock peening with different laser fluence. J. Laser Appl., 2013, vol. 25, no. 4, art. 042001, doi: https://doi.org/10.2351/1.4800444

[16] Кожевников Г.Д. Разработка комплексной математической модели лазерного удара для решения инженерных задач. Оптимизация режимов обработки лазерным ударным упрочнением жаропрочного сплава Inconel 718 численным моделированием. URL: https://www.icmm.ru/images/pages/news/newsfiles/supersonic/seminar_01_11_2022/Kozhevnikov.pdf (дата обращения: 15.06.2024).

[17] Ye Y., Zhang Y., Huang T. et al. A critical review of laser shock peening of aircraft engine components. Adv. Eng. Mater., 2023, vol. 25, no. 16, art. 2201451, doi: https://doi.org/10.1002/adem.202201451

[18] Ledon D., Balakhnin A., Uvarov S. et al. Behavior of Zr–1Nb alloy in coarse- and ultrafine-grain states under laser-induced shock wave loading. Frat. ed Integrita Strutt., 2023, vol. 17, no. 66, pp. 164–177, doi: https://doi.org/10.3221/IGF-ESIS.66.10

[19] Zou Sh., Wu J., Zhang Y. et al. Surface integrity and fatigue lives of Ti17 compressor blades subjected to laser shock peening with square spots. Surf. Coat. Technol., 2018, vol. 347, pp. 398–406, doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.05.023

[20] Sun В., Zhao J., Qiao H. et al. Effects of square spot size and beam quality on residual stress of 7050 aluminum alloy by laser shock peening. Mater. Chem. Phys., 2022, vol. 284, art. 126023, doi: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2022.126023

[21] Rondepierre А., Sollier А., Videau L. et al. Review on laser interaction in confined regime: discussion about the plasma source term for laser shock applications and simulations. Metals, 2021, vol. 11, no. 12, art. 2032, doi: https://doi.org/10.3390/met11122032

[22] Bovid S., Kattoura M., Clauer A. et al. Pressure amplification and modelization in laser shock peening of Ti-6Al-4V and AA7085 with adhesive-backed opaque overlays. J. Mater. Process Technol., 2022, vol. 299, art. 117381, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2021.117381

[23] Цимбал А.Л. Лазерное ударное упрочнение. URL: https://marbo.spb.ru/images/articles/Lazernoye_udarnoye_uprochnenie.%20Obzor.pdf (дата обращения: 15.06.2024).