Лазерная полировка

Лазерная полировка , также называемая лазерным переплавлением , представляет собой тип процесса микроплавления, используемый для улучшения качества поверхности материалов. В отличие от других традиционных процессов полировки , этот процесс не предполагает удаления материалов с поверхности заготовки . В этом процессе лазер падает на заготовку, чтобы расплавить поверхность на определенную глубину, что позволяет впоследствии улучшить параметры поверхности за счет повторного затвердевания расплавленного материала. ^[1]

Лазерная полировка может выполняться на двух уровнях – микро- и макроуровне. Материалом заготовки может быть любой металл или сплавы металлов, а также его можно использовать для полировки некоторых видов керамики и стекла. ^[2]

Принцип и механизм

Целью этого процесса является расплавление тонкого слоя поверхности заготовки для уменьшения средней высоты выступов, встречающихся на неровностях поверхности . Глубина плавления строго ограничена определенной высотой неровностей, чтобы предотвратить любые серьезные микроструктурные изменения в глубине материала заготовки. На это большое влияние оказывает тип лазерного излучения (импульсное или непрерывное), а также параметры лазера, т.е. мощность лазера, скорость подачи или скорость сканирования, диаметр лазерного луча и расстояние между источником (или, точнее, фокусом лазера) и поверхностью заготовки.

Этот процесс широко исследуется для применения методов уменьшения поверхности различных материалов. Два наиболее общих механизма идентифицированы как поверхностное плавление (SSM) и поверхностное плавление (SOM). ^[2]

Мелкое поверхностное плавление (SSM)

В литературе определяется, что область SSM формируется из-за динамического поведения высокотемпературной металлической жидкости, которая вдавливается в микронеровности, по существу заполняя впадины, присутствующие на поверхности. Глубина расплавленного материала обычно меньше расстояния между пиком и впадиной, на которое могут влиять параметры лазера. ^[3] Приведенное СЭМ- изображение демонстрирует четко различимую поверхность, отполированную лазером, без серьезных побочных эффектов на окружающий материал, и его можно использовать в качестве ориентира для понимания механизма SSM.

Поверхность над расплавом (SOM)

Увеличение плотности энергии лазерного луча после определенного уровня изменит поведение ванны расплава или расплавленного материала. При постепенном увеличении толщины ванны расплава она превысит расстояние пик-впадина (или высоту выступа), превращая всю поверхность металла в ванну расплава. Более высокая плотность лазера приводит к отрыву расплавленного материала от фронта затвердевания, образуя рябь на поверхности металла. ^[4]

Таким образом, лазерная полировка с использованием этого механизма требует тщательного изучения влияния параметров лазера на уменьшение волнистости на окончательно отполированной поверхности.

Механические свойства деталей, полированных лазером

Поскольку поверхность заготовки подвергается воздействию высокой температуры, которая создает огромный температурный градиент по ее поперечному сечению , на микроструктурном уровне происходят некоторые изменения из-за поведения материала на поверхности. Однако большинство литературных отчетов показывают незначительные изменения в общих свойствах материала всей заготовки.

Морфология и микроструктура поверхности

Поверхность, отполированная лазером, имеет значительное улучшение с точки зрения средней шероховатости обрабатываемого материала. Это можно объяснить равномерным распределением ванны расплава во время быстрого затвердевания из-за присутствия лазерного давления, силы тяжести и поверхностного натяжения. Обработанный слой разделяется на 3 основные зоны: переплавленный слой, зона термического влияния и исходный материал заготовки. Почти однородный переплавленный слой имеет более мелкие зерна по сравнению с остальным материалом из-за высокой скорости охлаждения. Такое уменьшение размера по сравнению с исходным можно объяснить закреплением границ зерен из-за присутствия уже присутствующих или свежих выделений в расплавленном материале. ^[5] Свежие осадки могут прорастать из матрицы материала или могут быть вызваны окружающей средой.

Спускаясь по материалу, находится зона термического влияния, на которую не воздействует лазерный луч, а на которую воздействует образовавшаяся на поверхности ванная расплава. Размеры зерен крупнее, чем у переплавленного поверхностного слоя, но не такие большие, как исходный размер зерен, который обнаруживается при более глубоком погружении в материал (обычно в заготовке, изготовленной аддитивным способом).

Растяжимые свойства

Полированная поверхность имеет значительное увеличение прочности на разрыв , но общее удлинение (до разрушения) уменьшается. В качестве примера рассмотрим полимерно-металлический композит с алюминиевыми волокнами и PLA в качестве матрицы. ^[6] В цитируемом исследовании показано увеличение прочности на разрыв с 41,01 МПа до 50,47 МПа при снижении максимального удлинения с первоначальных 60,6% до 33,2%. Это можно объяснить результатом уплотнения и улучшения адгезии между матрицей и волокнистыми компонентами. Результатом является повышение жесткости и снижение пластичности материала на полированной поверхности.

В этом конкретном случае заготовка изготавливается с помощью моделирования наплавлением (FDM), метода аддитивного производства . Как правило, все компоненты, изготовленные аддитивным способом, имеют дефекты по всей матрице, а именно. газовая пористость, зазор между наплавленными слоями, неравномерное расслоение наплавленных слоев и низкая адгезия между слоями. Все вышеупомянутые термины имеют связанные или несвязанные причины образования, которые можно изучить подробно, но они выходят за рамки данного резюме. Эти дефекты становятся источниками отказов или причиной повреждений. ^[6] индуцированный в композите. В результате лазерной полировки поведение композита при разрушении меняется из-за совместного упругопластического поведения вновь отполированного волокна и матрицы на поверхности заготовки. Кроме того, поскольку расплавленный поверхностный материал течет от вершины к незаполненным впадинам, многие дефекты удаляются. Это также вызывает повторное соединение матрицы-матрицы, а также матрицы-волокна, что существенно улучшает прочность на разрыв, а также динамические механические свойства за счет создания гораздо более плотной структуры.

Это можно математически объяснить с помощью правила смесей , предполагая постоянную деформацию для композита с матрицей и непрерывным волокном и оценивая прочность на разрыв для различных стадий, найденную на кривой растяжения-деформации композита. ^[7]

Другие улучшения можно увидеть на полированной поверхности: повышенная микротвердость, износостойкость и коррозионная стойкость.

Поведение при разрушении

В зависимости от полируемого материала механизм разрушения чистых металлов, неметаллов, сплавов, полимеров, керамики, аморфных твердых тел и композитов сильно различается. Все они демонстрируют улучшенную стойкость к разрушению после лазерной полировки из-за уменьшения количества дефектов и повышения устойчивости к распространению трещин. Однако эта характеристика не является универсальной, на нее также влияет наличие дефектов в неповрежденном материале заготовки.

Улучшение поведения разрушения можно оценить количественно, определив критический коэффициент интенсивности напряжений ( $K_{c}$ ). Теоретически это значение достигается, когда номинальное приложенное напряжение равно напряжению распространения трещины и рассчитывается с учетом критериев Гриффитса. Окончательное выведенное уравнение для состояния плоского напряжения представляет собой квадратный корень из произведения жесткости материала ( $E$ ) и прочность материала ( $G_{c}$ ). ^[7] Очевидно, что с увеличением жесткости материала полированная поверхность должна иметь повышенную ударную вязкость.

Более углубленное исследование показывает, что в повышении стойкости к разрушению обработанного лазером материала играют роль не только жесткость материала. Несколько источников описали эффект деформационного упрочнения (сжатия, вызванного движением дислокаций при повышенных температурах) и фазового превращения внутри материала.

Рассмотрим еще один пример инженерной керамики из нитрида кремния. ^[8] Результат этого исследования документально подтверждает изменение твердости поверхности, длины поверхностных трещин и поверхности. $K_{1}c$ (режим-1 $K_{c}$ ) с использованием техники(ов) вдавливания Виккерса. Увеличение поверхностной твердости и $K_{1}c$ Фактор может быть связан с остаточным сжимающим напряжением, вызванным движением дислокаций при повышенных температурах в процессе лазерной полировки. Эти сжимающие напряжения действуют против внешнего напряжения, поэтому требуется определенное пороговое значение в дополнение к напряжению разрушения (или напряжению распространения трещины), чтобы полностью преодолеть противоположные напряжения до возникновения трещины. Другие наблюдения включают уменьшение длины трещины на 37% при лазерной полировке. ${\ce {Si3N4}}$ и наведенная анизотопия, которая далее обсуждается в цитируемой ссылке. ^[8]

Ссылки

^ Перри, Тайлер Л.; Вершмеллер, Дирк; Ли, Сяочунь; Пфефферкорн, Фрэнк Э.; Даффи, Нил А. (1 января 2007 г.). Микроплавление для лазерной микрополировки мезо/микрометаллических компонентов . Международная конференция по производственной науке и технике ASME 2007. АСМЕДК. стр. 363–369. дои : 10.1115/мсек2007-31173 . ISBN 978-0-7918-4290-4 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Кришнан, Арун; Фан, Фэнчжоу (01 сентября 2019 г.). «Обзор механизма и процесса полировки поверхности лазерами» . Границы машиностроения . 14 (3): 299–319. Бибкод : 2019FrME...14..299K . дои : 10.1007/s11465-019-0535-0 . ISSN 2095-0241 . S2CID 133464987 .
^ Чжао, Л.; Стук, Дж. М.; Рис, CE; Келли, MJ (2015). «Лазерная полировка для управления топографией поверхностей резонатора ускорителя» . Материаловедение и инженерия . 46 (7): 675–685. дои : 10.1002/mawe.201500323 . ISSN 1521-4052 . ОСТИ 1211537 . S2CID 135768322 .
^ Рамос, Дж.А.; Бурелл, ДЛ; Биман, Джей-Джей (2002). «Переплавление поверхности при лазерной полировке металлических деталей с непрямой SLS» . Дело МРС . 758 . дои : 10.1557/proc-758-ll1.9 . ISSN 0272-9172 .
^ Лунфэй, Чэнь Гуань , ( . 2018 , Лу ; ) Чжихао ; Инчунь 2212-8271 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Чен, Лан; Чжан, Синьчжоу (октябрь 2019 г.). «Модификация качества поверхности и механических свойств путем лазерной полировки деталей из Al/PLA, изготовленных методом наплавленного моделирования» . Прикладная наука о поверхности . 492 : 765–775. Бибкод : 2019ApSS..492..765C . дои : 10.1016/j.apsusc.2019.06.252 . ISSN 0169-4332 . S2CID 198386773 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Х., Кортни, Томас (2013). Механическое поведение материалов . McGraw Hill Education (Индия). ISBN 978-1-259-02751-2 . OCLC 929663641 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Перейти обратно: ^а ^б Шукла, ПП; Лоуренс, Дж. (14 июля 2010 г.). «Модификация вязкости разрушения с помощью обработки поверхности инженерной керамики из нитрида кремния с помощью волоконного лазера» . Журнал материаловедения . 45 (23): 6540–6555. Бибкод : 2010JMatS..45.6540S . дои : 10.1007/s10853-010-4743-6 . ISSN 0022-2461 . S2CID 56054376 .

[1] Перри, Тайлер Л.; Вершмеллер, Дирк; Ли, Сяочунь; Пфефферкорн, Фрэнк Э.; Даффи, Нил А. (1 января 2007 г.). Микроплавление для лазерной микрополировки мезо/микрометаллических компонентов . Международная конференция по производственной науке и технике ASME 2007. АСМЕДК. стр. 363–369. дои : 10.1115/мсек2007-31173 . ISBN 978-0-7918-4290-4 .

[:0-2] Перейти обратно: ^а ^б Кришнан, Арун; Фан, Фэнчжоу (01 сентября 2019 г.). «Обзор механизма и процесса полировки поверхности лазерами» . Границы машиностроения . 14 (3): 299–319. Бибкод : 2019FrME...14..299K . дои : 10.1007/s11465-019-0535-0 . ISSN 2095-0241 . S2CID 133464987 .

[3] Чжао, Л.; Стук, Дж. М.; Рис, CE; Келли, MJ (2015). «Лазерная полировка для управления топографией поверхностей резонатора ускорителя» . Материаловедение и инженерия . 46 (7): 675–685. дои : 10.1002/mawe.201500323 . ISSN 1521-4052 . ОСТИ 1211537 . S2CID 135768322 .

[4] Рамос, Дж.А.; Бурелл, ДЛ; Биман, Джей-Джей (2002). «Переплавление поверхности при лазерной полировке металлических деталей с непрямой SLS» . Дело МРС . 758 . дои : 10.1557/proc-758-ll1.9 . ISSN 0272-9172 .

[5] Лунфэй, Чэнь Гуань , ( . 2018 , Лу ; ) Чжихао ; Инчунь 2212-8271 .

[:1-6] Перейти обратно: ^а ^б Чен, Лан; Чжан, Синьчжоу (октябрь 2019 г.). «Модификация качества поверхности и механических свойств путем лазерной полировки деталей из Al/PLA, изготовленных методом наплавленного моделирования» . Прикладная наука о поверхности . 492 : 765–775. Бибкод : 2019ApSS..492..765C . дои : 10.1016/j.apsusc.2019.06.252 . ISSN 0169-4332 . S2CID 198386773 .

[:2-7] Перейти обратно: ^а ^б Х., Кортни, Томас (2013). Механическое поведение материалов . McGraw Hill Education (Индия). ISBN 978-1-259-02751-2 . OCLC 929663641 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[:3-8] Перейти обратно: ^а ^б Шукла, ПП; Лоуренс, Дж. (14 июля 2010 г.). «Модификация вязкости разрушения с помощью обработки поверхности инженерной керамики из нитрида кремния с помощью волоконного лазера» . Журнал материаловедения . 45 (23): 6540–6555. Бибкод : 2010JMatS..45.6540S . дои : 10.1007/s10853-010-4743-6 . ISSN 0022-2461 . S2CID 56054376 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]