ВПЛИВ КОРОТКОІМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ НА ФОРМУВАННЯ ПОВЕРХНЕВИХ МІКРОСТРУКТУР ТА ТВЕРДІСТЬ НЕРЖАВІЮЧОЇ СТАЛІ
DOI:
https://doi.org/10.20998/2079-004X.2024.1(9).07Ключові слова:
твердість, сталь AISI 321, нанолазер, мікроструктура металу, тертя, періодичні структури, LIPSSАнотація
В роботі розглянуті питання, пов’язані із технологією короткоімпульсного лазерного оброблення сталі AISI321. Об’єктом дослідження є поверхневі структури, що формуються після короткоімпульсного впливу наносекундного лазеру, а також їх фізико-механічні характеристики. Предметом дослідження в роботі є процеси формування періодичних поверхневих структур після короткоімпульсного лазерного впливу.
Було сформоване припущення про кореляцію характеру формування структурних перетворень в поверхневому шарі оброблюваного матеріалу при процесі лазерного впливу із малою інтенсивністю лазерного випромінювання, та традиційного нагрівання-охолодження.
Зазначено, що при досягнені відповідник критичних умов опромінення (потужності опромінення, швидкості нагрівання та охолодження, градієнту деформації тощо) відбувається лазерне зміцнення аустенітної сталі із підвищенням твердості, тобто загартування.
Підкреслено, що короткоімпульсний лазерний вплив при невеликих потужностях лазера, викликає такі процеси в поверхневому шарі нержавіючої сталі AISI321, які здебільшого запобігають осадженню карбіду хрому і не зміцнюють матеріал, а поглиненої лазерної енергії ще недостатньо для суттєвого створення мартенситних структур. Також підкреслено, що при багаторазовому короткочасовому накладанні теплових плям, що неодноразово перетинають одна одну, виникає збільшення теплової деформації матеріалу, і, як результат, в поверхневому шарі частково формуються більш міцні кристалічні структури – мартенсит, карбіди та окиси металів, що відповідає процесу загартування.
Посилання
Dobrotvorskiy, S. et al. (2023). Computer Modelling and Comparative Analysis of Surface Microrelief Inspection by the Method of Scattering of a Laser Beam During Its Small-Angle Sliding Incidence. In: Cioboată, D.D. (eds) International Conference on Reliable Systems Engineering (ICoRSE) - 2023. ICoRSE 2023. Lecture Notes in Networks and Systems, vol 762, pp. 237–252. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-40628-7_20.
Dobrotvorskiy, S. et al. (2023). The Relief of the Structured by Nanosecond Laser Stainless Steel Surface Inspection by Sliding Reflection of a Laser Beam. In: Balog, M., Iakovets, A., Hrehova, S. (eds) EAI International Conference on Automation and Control in Theory and Practice . EAI ARTEP 2023. EAI/Springer Innovations in Communication and Computing, pp. 65-77. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-31967-9_5
Malinauskas M, Žukauskas A, Hasegawa S, Hayasaki Y, Mizeikis V, Buividas R, et al. Ultrafast Laser Processing of Materials: From Science to Industry. Light Sci Appl, 5(8), e16133 (2016). https://doi.org/10.1038/lsa. 2016.133
Sugioka K, Cheng Y. Ultrafast Lasers-Reliable Tools for Advanced Materials Processing. Light Sci App, 3(4), e149l (2014). https://doi.org/10.1038/lsa. 2014.30
Jiang L, Wang A-D, Li B, Cui T-H, Lu Y-F. Electrons Dynamics Control by Shaping Femtosecond Laser Pulses in Micro/nanofabrication: Modeling, Method, Measurement and Application. Light Sci Appl, 7(2), 17134 (2018). https://doi.org/10.1038/lsa.2017.134
A. Mizuno, T. Honda, J. Kiuchi, Y. Iwai, N. Yasumaru, K. Miyazaki, Tribol. Online 1, 44 (2006)
N. Yasumaru, Kenzo Miyazaki, J. Kiuchi, Appl. Surf. Sci. 254, 2364 (2008)
J. Eichsta¨dt, G.R.B.E. Ro¨mer, A.J. Huis in’t Veld, Phys. Proc. 12, 7 (2011)
C.-Y. Chen, C.-J. Chung, B.-H. Wu, W.-L. Li, C.-W. Chien, P.-H. Wu, C.-W. Cheng, Appl. Phys. A 107, 345 (2012)
Bonse J, Koter R, Hartelt M, Spaltmann D, Pentzien S, Höhm S, et al. Femtosecond Laser-Induced Periodic Surface Structures on Steel and Titanium alloy for Tribological Applications. Appl Phys A, 17(1), 103–110 (2014). https://doi.org/10.1007/s00339-014-8229-2
Dusser B, Sagan Z, Soder H, Faure N, Colombier JP, Jourlin M, et al. Controlled Nanostructrures Formation by Ultra Fast Laser Pulses for Color Marking. Opt Express, 18(3), 2913–2924 (2010). https://doi.org/10.1364/oe.18.002913
Jiang H-B, Zhang Y-L, Liu Y, Fu X-Y, Li Y-F, Liu Y-Q, et al. Bioinspired FewLayer Graphene Prepared by Chemical Vapor Deposition on Femtosecond Laser-Structured Cu Foil. Laser Photon Rev, 10(3), 441–450 (2016). https://doi.org/10.1002/ lpor.201500256.
Drevinskas R, Beresna M, Zhang J, Kazanskii AG, Kazansky PG. Ultrafast Laser-Induced Metasurfaces for Geometric Phase Manipulation. Adv Opt Mater, 5(1), 1600575 (2017). https://doi.org/10.1002/adom.201600575
Wang L, Chen Q-D, Cao X-W, Buividas R, Wang X, Juodkazis S, et al. Plasmonic Nano-Printing: Large-Area Nanoscale Energy Deposition for Efficient Surface Texturing. Light Sci Appl, 6(12), e17112 (2017). https://doi.org/10. 1038/lsa.2017.112
Miyagawa, R., Kamibayashi, D., Nakamura, H. et al. Crystallinity in periodic nanostructure surface on Si substrates induced by near- and mid-infrared femtosecond laser irradiation. Sci Rep 12, 20955 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25365-1.
Shinonaga, T., Tsukamoto, M. & Miyaji, G. Periodic nanostructures on titanium dioxide film produced using femtosecond laser with wavelengths of 388 nm and 775 nm. Opt. Express 22, 14696 (2014). https://doi.org/10.1364/OE.22.014696
Bonse, J. & Kruger, J. Pulse number dependence of laser-induced periodic surface structures for femtosecond laser irradiation of silicon. J. Appl. Phys. 108, 034903 (2010). https://doi.org/10.1063/1.3456501
Miyaji, G. & Miyazaki, K. Nanoscale ablation on patterned diamondlike carbon film with femtosecond laser pulses. Appl. Phys.Lett. 91, 123102 (2007). https://doi.org/10.1063/1.2784966
Hashida, M., Ikuta, Y., Miyasaka, Y., Tokita, S. & Sakabe, S. Simple formula for the interspaces of periodic grating structures selforganized on metal surfaces by femtosec-ond laser ablation. Appl. Phys. Lett. 102, 174106 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4803940
Nivas, J. et al. Effects of ambient air pressure on surface structures produced by ultra-short laser pulses irradiation. Opt. Lett. 42, 2710–2713 (2017). https://doi.org/10.1364/OL.42.002710
Sun Q, Liang F, Vallée R, Chin SL. Nanograting Formation on the Surface of Silica Glass by Scanning Focused Femtosecond Laser Pulses. Opt Lett, 33(22), 2713–2725 (2008). https://doi.org/10.1364/ol.33.002713.
Bonse J, Krüger J, Höhm S, Rosenfeld A. Femtosecond Laser-Induced Periodic Surface Structures. J Laser Appl (2012) 24(4):042006. https://doi.org/10.2351/1.4712658
Sotnikov, V.T., Dobrotvorsky, S.S., Zapechelnyuk, E.F., Dobrotvorskaya, M.V.: Self-oscillations of the emission of charged particles from the surface of optical transparent media with nonlinear absorption of laser radiation. Surface. Physics, chemistry, mechanics, 9, 103-110 (1986).
COMSOL User’s Guide. Ray Optics Module. COMSOL© (2022). https://doc.comsol.com/6.1/doc/com.comsol.help.roptics/RayOpticsModuleUsersGuide.pdf, last accessed 2024/02/02
Moura, V., Kina, A. Y., Tavares, S. S. M., Lima, L. D., & Mainier, F. B. (2007). Influence of stabilization heat treatments on microstructure, hardness and intergranular corrosion resistance of the AISI 321 stainless steel. Journal of Materials Science, 43(2), 536–540. doi:10.1007/s10853-007-1785-5
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Технологiї в машинобудуваннi
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
