Использование сверхмощных ультракоротких лазерных импульсов совершенно меняет физику процесса обработки металлов, что позволяет достигать рекордных упрочнений в поверхностном слое. Такие результаты принесли исследования ученых Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН, Всероссийского научно-исследовательского института автоматики им. Н. Л. Духова, Объединенного института высоких температур РАН, Московского физико-технического института, Института проблем химической физики РАН, Южно-Уральского государственного университета и Института автоматизации проектирования РАН.

Лазерная ковка (ЛК) – промышленная технология поверхностного упрочнения изделий, которая широко применяется во многих развитых странах. К примеру, в США в январе 2022 г. объявили о внедрении полного ЛК-упрочнения поверхностей истребителя F-35B Lightning II. При стоимости самолета в $100 млн увеличение длительности его эксплуатации в 1,5-2 раза дает экономический выигрыш в $50-100 млн, что на 2 порядка превосходит затраты на его ЛК-обработку.

Для лазерной ковки традиционно применяют импульсы лазеров наносекундной длительности (НС). Российские специалисты рассмотрели особенности применения к технологии упрочнения ультракоротких лазерных импульсов (УКЛИ) фемтосекундной (ФС) или пикосекундной (ПС) длительности, что позволяет поднять мощность такого импульса до тераваттного уровня.

Одно из преимуществ применения УКЛИ состоит в отсутствии необходимости проводить облучение через воду. При использовании НС-импульсов инерция воды увеличивает энергию воздействия лазера на поверхностный слой, но в случае УКЛИ наличие жидкости не сказывается на амплитуде ударной волны и проводку луча можно производить через вакуум или даже просто воздух.

Но главное, в отличие от традиционных наносекундных импульсов, УКЛИ позволяет поднять уровень создаваемых давлений на 2–3 порядка – с 1–10 ГПа до 1000 ГПа (1 ТПа). При этом меняется принципиально физика явлений, так как ударные волны с такими давлениями плавят металл.

В традиционных технологиях плавление при воздействии лазера происходит в результате нагрева за счет поглощения металлом энергии излучения. Однако при обработке материалов с низкой теплопроводностью (таких, как титан) толщина прогретого за счет теплопроводности слоя мала. Следовательно, мала толщина слоя расплава за счет этого эффекта. В случае же УКЛИ плавление происходит вследствие диссипации кинетической энергии во фронте ударной волны, возникающей в материале при воздействии сверхмощного лазерного импульса. В результате толщина ударно-расплавленного слоя получается на порядок больше толщины зоны плавления за счет теплопроводности.

Между тем, плавление – важный аспект процесса упрочнения. Во-первых, плавление и последующее затвердевание поверхностного слоя принципиально меняет кристаллическую структуру этого слоя. Сверхвысокая скорость закалки расплавленного приповерхностного слоя приводит к измельчению зеренной структуры вплоть до формирования нанокристаллического состояния. Последняя позволяет наряду со значительным упрочнением сохранить необходимый уровень пластичности или даже его повысить.

Теоретические расчеты, проведенные в рамках данного исследования, показали, что толщина слоя плавления – т. е. максимальная глубина распространения фронта плавления в толщу титана, при воздействии УКЛИ должна составить примерно 550 нм. Правильность этих расчетов была подтверждена экспериментально.

Эксперименты по лазерному воздействию были выполнены с использованием Лазерного тераваттного фемтосекундного комплекса ОИВТ РАН. Использовался лазер тераваттной мощности на кристалле хром-форстерита с длиной волны 1240 нм и длительностью импульса 110 фс. Лазерный пучок падал под небольшим углом, поэтому пятно освещения на поверхности мишени имело форму эллипса с полуосями 35 и 42 мкм.

Рис. 1. Изображение микроструктуры приповерхностного слоя: область А – исходный материал; B – приповерхностный слой, левее которого располагается напыленное защитное покрытие из платины; C – кристаллиты, ориентированные перпендикулярно поверхности. Из анализа изображения следует, что титан в слое В прошел через состояние жидкой фазы и приобрел нанокристаллическую структуру.

На рис. 1 представлены результаты электронно-микроскопических исследований микроструктуры тонкой фольги из поперечного среза приповерхностного слоя технически чистого титана марки ВТ1-0. Отчетливо выделяется нанокристаллический слой B, который резко отличается по микроструктуре от исходного состояния металла до лазерного воздействия. Исходная структура (А) состояла из крупных кристаллитов с размерами 35 мкм. Измененный слой (B) имеет неоднородную нанокристаллическую структуру с шириной кристаллитов от 5 до 200 нм и длиной от 100 до 600 нм. Толщина этого слоя составляет 300–600 нм, что хорошо совпадает с результатами теоретических расчетов.

Исследование российских ученых впервые показало, что при давлениях ударной волны около 1 ТПа глубина ударного плавления на порядок превышает толщину слоя расплава за счет теплопроводности. Экспериментально подтверждено, что при сверхбыстрой кристаллизации расплава формируется твердый слой с нанокристаллической структурой, резко отличной от той, которая была до воздействия. Это является принципиально важным достижением для практического применения, поскольку позволяет достигать рекордных упрочнений в поверхностном слое металлических материалов.

Подробнее см. «Плавление титана ударной волной, вызванной мощным фемтосекундным лазерным импульсом», В. А. Хохлов, В. В. Жаховский, Н. А. Иногамов, С. И. Ашитков, Д. С. Ситников, К. В. Хищенко, Ю. В. Петровa, С. С. Манохин, И. В. Неласов, В. В. Шепелев, Ю. Р. Колобов, «Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики», 2022, T. 115, № 9-10, стр. 576-584.

Редакция сайта РАН