DE3875087T2

DE3875087T2 - Laser-schock-behandlungsverfahren von materialien.

Info

Publication number: DE3875087T2
Application number: DE19883875087
Authority: DE
Inventors: Remy Fabbro; Jean Fournier
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1987-12-02
Filing date: 1988-11-29
Publication date: 1993-04-22
Anticipated expiration: 2008-11-30
Also published as: DE3875087D1; EP0319397B1; EP0319397A1; FR2624138A1; FR2624138B1

Description

Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zur Behandlung von Materialien mit Laserschocks zum Gegenstand. Sie findet insbesondere in der Metallurgie Anwendung, und zwar zur Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit von Metallen.
Es ist bekannt, Materialien zu behandeln, indem man sie einem oderer mehreren Schocks aussetzt, die dadurch erzeugt werden, daß auf eine Probe des zu behandelnden Materials sehr kurze Laserstrahlimpulse gerichtet werden. Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise im US-Patent Nr. 3,850,698 beschrieben, das am 26. November 1974 P.J. MALOZZI et al. erteilt wurde, oder in EP-A-85278.
In einem derartigen Verfahren wird die zu behandelnde Probe mit einer dünnen Schicht eines ersten, bei der Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung absorbierenden Materials beschichtet und vor der absorbierenden Schicht ein (flüssiges oder festes) lichtdurchlässiges Material angeordnet.
Das vor der absorbierenden Beschichtung angeordnete durchlässige Material hat die Aufgabe, der Entspannung des Plasmas entgegenzuwirken, das sich an der Grenzfläche zwischen dem durchlässigen Medium und der absorbierenden Beschichtung bildet, und den Zeitraum zu verlängern, während dessen der Druck auf die Probe andauert.
Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zum Gegenstand, das es erlaubt, die Tiefe zu vergrößern, in der die Kompressionsbeanspruchung erzeugt wird. Dieses Ergebnis wird durch die Verwendung eines Laserimpulses erreicht, dessen Lichtstrom den Schwellenwert, überschreitet über dem in jedem lichtdurchlässigen Material aufgrund des elektrischen Feldes der es durchquerenden elektromagnetischen Strahlung Durchbrucherscheinungen auftreten, durch die das Material undurchlässig wird. Die Photonen werden dann in diesem Medium absorbiert, was einen Druck erzeugt, der dieses Medium daran hindert, sich unter dem Einfluß des Druckes des Plasmas zu bewegen, das an der Grenzfläche zwischen dem durchlässigen Medium und der absorbierenden Schicht erzeugt wird.
Die Entspannung des Plasmas wird dadurch verzögert und der Zeitraum verlängert, in dem der Druck aufrechterhalten wird. Die Eindringtiefe der Schockwelle und dadurch die Tiefe, in der eine Kompressionsbeanspruchung stattfindet, werden dadurch vergrößert.
Im Einzelnen hat die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Behandlung eines Materials mit Laserschocks insbesondere zur Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit dieses Materials zum Gegenstand, Verfahren, in dem eine Probe aus dem genannten Material mit einer ersten Schicht eines ersten, bei der Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung absorbierenden Materials beschichtet wird und diese erste Schicht ihrerseits mit einer zweiten Schicht eines zweiten Materials beschichtet wird und in dem diese Gesamtheit mit einem Laserstrahlimpuls bestrahlt wird; das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtheit mit mindestens einem Laserimpuls bestrahlt wird, dessen Lichtstrom zunächst under einem Schwellenwert liegt, unter dem das zweite Material für die verwendete Strahlung lichtdurchlässig ist und über dem es undurchlässig wird, und diesen danach überschreitet.
Vorteilhafterweise wird die Gesamtheit mit mehreren Laserstrahlimpulsen bestrahlt.
Nach einer Ausführungsvariante haben die Laserimpulse unterschiedliche Längen, die einen, kurzen in der Größenordnung einer Nanosekunde, die anderen, längeren in der Größenordnung von zehn Nanosekunden.
Vorzugsweise weist der Laserstrahlimpuls eine steile ansteigende Flanke in der Größenordnung einer Nanosekunde und einer Dauer in der Größenordnung von zehn Nanosekunden auf.
In einer vorteilhaften Variante wird das Material vor der genannten Schockbehandlung einer Wärmebehandlung unterzogen die darin bestht, daß die unbeschichtete Oberfläche der Probe mit einem Laserimpuls bestrahlt wird.
Diese an sich bekannte Vorbehandlung führt im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu einem überraschenden Ergebnis. Eine derartige Behandlung ist nämlich zur Erzeugung von Zugrestspannungen bekannt, was dem Ziel der Erfindung widerspricht, das darin besteht, Kompressionsrestspannungen zu erzeugen. Diese Vorbehandlung aber, die an der Oberfläche eine Überhärtung bewirkt, die die Oberflächenhärte der Probe erhöht, erweist sich als vorteilhaft für den folgenden Behandlungsschritt.
Der zu dieser Wärmebehandlung dienende Laserimpulse weist eine Dauer zwischen 0,2 und 100 Nanosekunden auf.
Die Wärmebehandlung der unbeschichteten Oberfläche der Probe kann im Vakuum oder in Anwesenheit eines mit der Oberfläche in Kontakt stehenden Fluids erfolgen. Dieses Fluid kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Diese Behandlung kann auch erfolgen, indem die Probe in flüssigen Stickstoff getaucht wird.
Die Ausführung dieser Vorbehandlung der Oberfläche in kontrollierter Atmosphäre erlaubt es, in die Oberfläche der Probe Atome einzupflanzen, die dem die Probe bildenden Material fremd sind. Beispielsweise wird durch Behandlung in gasförmigem oder flüssigem Stickstoff ein Nitrieren des Metalls bewirkt; in Anwesenheit von Kohlendioxid erfolgt ein Aufkohlen etc.
Die Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von Beispielen deutlicher hervorgehen, die zur Erläuterung angeführt und nicht einschränkend sind. Diese Beschreibung nimmt auf die beigefügten Zeichnungen Bezug. Es zeigen
- Fig. 1 schematische eine Anordnung zur Anwendung des Verfahrens der Erfindung,
- Fig. 2 bis 6 fünf Diagramme, die die Änderungen der Amplitude der Spannungen darstellen, die in fünf verschiedenen Proben erzeugt wurden,
- Fig. 7 eine vorteilhafte Form des Lichtimpulses,
- Fig. 8 ein Diagramm zum Vergleich von Impulsen unterschiedlicher Länge und Form und
- Fig. 9 die Schwankungen der Amplitude der Spannung in Abhängigkeit von der Tiefe für eine Oberflächenbehandlung.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung enthält einen Laser 10 (beispielsweise einen gepulsten Neodymlaser, der eine Strahlung von 1,06 um aussendet), eine halbdurchlässig verspiegelte Platte 12, die einen kleinen Teil des einfallenden Lichtes (unter 1%) auf einen Photozellendetektor 14 reflektiert, einen Spiegel 16, gegebenenfalls einen Frequenzwandler 18, der in der Lage ist, die Frequenz zu verdoppeln oder zu vervierfachen, eine Fokussierlinse 20 und eine Arbeitsstation 22. Diese Station enthält eine Platte 24 veränderbarer Höhe, auf der eine zu behandelnde Probe 26 angeordnet ist, die der einfallenden Strahlung im Fall der Wärmevorbehandlung der Oberfläche unbeschichtet ausgesetzt wird (Variante X1) oder mit einer absorbierenden Schicht 28 beschichtet, die ihrerseits mit einer lichtdurchlässigen Beschichtung 30, etwa Glas, bedeckt ist (Variante X2), oder in eine Flüssigkeit 32 getaucht ist, wenn die Gesamtheit in einem Gefäß 34, gefüllt mit dieser Flüssigkeit, angeordnet ist (Variante X3). Diese beiden letzten Varianten entsprechen einer Tiefenbehandlung.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichten Ergebnisse sind in den Fig. 2 bis 6 dargestellt. In diesen Figuren stellt die Abszissenachse die Tiefe in der Probe von der Oberfläche ausgehend dar, die am linken Rand angenommen wird; die Einheit ist Zehntelmillimeter. Die Ordinatenachse stellt den im Metall durch die Spannungen ausgeübten Druck dar, der in Megapascal ausgedrückt wird. Die durchgezogene Linie und die gestrichelte Linie stellen den in zwei senkrecht aufeinanderstehenden, zur Probenoberfläche parallelen Richtungen gemessenen Druck dar.
In allen Fällen wurde als Material geglühter Stahl XC 38 verwendet und die Laserstrahlung lag bei 1,06 um. Die Druckmessungen erfolgen mit Röntgenstrahlen.
Diese verschiedenen Diagramme entsprechen unterschiedlichen Arbeitsbedingungen und insbesondere unterschiedlichen Lichtströmen.
Das Diagramm der Fig. 2 entspricht einem einzelnen Laserimpuls einer Dauer von 2,75 ns und eines Lichtstromes von 24 GW/cm². Das lichtdurchlässige Medium bestand aus einer Glasplatte von 6 mm Dicke; die absorbierende Schicht war eine Farbschicht. Der kritische Schwellenwert des Glases lag bei ungefähr 25 GW/cm² (dieser Schwellenwert läßt sich leicht durch visuelle Beobachtung einer Platte bestimmen, die einem Beschuß wachsender Leistung ausgesetzt wird) bei einer Dauer von 2,75 ns.
Dieses Experiment entspricht also einem unter dem Schwellenwert liegenden Lichtstrom und erlaubt es daher, die mit den vorbekannten Techniken (wie der des oben angegebenen amerikanischen Patentes) erhalten Ergebnisse darzustellen.
Fig. 3 entspricht dagegen erfindungsgemäßen Versuchsbedingungen, und zwar mit einem Lichtstrom von 62 GW/cm², d.h. oberhalb des kritischen Schwellenwertes. Es ist zu erkennen, daß eine Kompression jenseits der in Fig. 2 beobachteten Grenze auftritt: Beispielsweise beträgt der Druck in 0,4 mm Abstand von der Oberfläche 100 MPa, während er im Fall der Fig. 2 nur 50 MPa betrug.
Fig. 4 entspricht einem Versuch mit 3 aufeinanderfolgenden Stößen von 2,75 ns und 65 GW/cm² (also nach wie vor über dem Schwellenwert). Das lichtdurchlässige Material war eine Schicht destillierten Wassers einer Dicke von 2 mm. Zu bemerken ist die Vergrößerung der Tiefe durch die wiederholten Stöße.
Fig. 5 entspricht einem Stoß von 25 ns. 13 GW/cm² (also über dem Schwellenwert, der bei einer Dauer von 25 ns bei 2.5 GW/cm² liegt). Die Probe war mit Farbe und 2 mm destillierten Wassers bedeckt. Es ist zu beachten, daß die Verlängerung der Impulsdauer die Tiefe der Behandlung vergrößert.
Fig. 6 entspricht 3 Stößen von 25 ns und 13 GW/cm² bei mit Farbe bedeckter Probe und 2 mm destillierten Wassers. Auf die erreichte große Tiefe sei hingewiesen.
Die in der Erfindung verwendeten Laserimpulse können die übliche, bekannte Form haben, insbesondere bei gepulstem Betrieb. In Fig. 7a ist in einem Leistung-Zeit-Diagramm eine solche dargestellt. Der Schwellenwert S wird zum Zeitpunkt t&sub0; erreicht. Vorteilhafterweise kann die Dauer der ansteigenden Impulsflanke durch Verwendung einer elektrooptischen Blende (beispielsweise einer Pockelszelle) verringert werden. Diese Blende wird geschlossen gehalten, solange die maximale Intensität nicht erreicht ist, und wird plötzlich geöffnet, wenn diese Intensität überschritten wurde. Dadurch wird ein Impuls erhalten, dessen Form im Teil b der Fig. 7 dargestellt ist.
Der Vorteil dieser Maßnahme liegt in Folgendem. Damit die Wirksamkeit des Stoßes maximal wird, muß die Front der Stoßwelle ihre maximale Amplitude vor der Grenzfläche zwischen der absorbierenden Schicht und der Probe erreicht haben. Dies ist der Fall, wenm die ansteigende Flanke des Impulses sehr steil ist (Anstiegszeit in der Größenordnung einer Nanosekunde). Wie bereits erklärt, fördert dagegen die Verlängerung der Impulsdauer eine Tiefenwirkung. Die spezielle Form des in Fig. 7b dargestellten Impulses mit einer steilen ansteigenden Flanke (ungefähr eine Nanosekunde) und einer langen Dauer (10 bis 20 ns) entspricht diesen beiden Forderungen.
Fig. 8 stellt den Druck (als Ordinate in MPa) als Funktion der Tiefe (als Abszisse in Millimetern) dar, der durch einen Stoß einer Dauer von 30 ns bei 10 GW/cm² erzeugt wird, der auf die unbeschichtete Oberfläche einer Probe gerichtet wird (Oberflächenhärtung). Das verwendete Material ist normalgeglühter, d.h. stark geglühter, XC 38. Diese Oberflächenbehandlung verstärkt, wie oben erläutert, die spätere Tiefenbehandlung, die durch die absorbierende Schicht und die lichtdurchlässige Platte hindurch erfolgt.
Schließlich erlaubt es die Fig. 9, die mit Impulsen von 3 ns bei 50 GW/cm² (Kurve 40), von 30 ns bei 9 GW/cm² (Kurve 42) und mit nach vorne schräg abgeschnittenen Impulsen von 25 GW/cm² (Kurve 44) erhaltenen Wirkungen zu vergleichen. An der Oberfläche ähneln die Wirkungen denen des Impulses von 3 ns, während sie in der Tiefe denen des Impulses von 30 ns ähneln.

Claims

1. Verfahren zur Behandlung eines Materials mit Laserschocks insbesondere zur Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit dieses Materials, Verfahren, in dem eine Probe aus dem genannten Material mit einer ersten Schicht eines ersten, bei der Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung absorbierenden Materials beschichtet wird und diese erste Schicht mit einer zweiten Schicht eines zweiten Materials beschichtet wird und in dem diese Gesamtheit mit einem Laserstrahlimpuls bestrahlt wird. Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtheit mit mindestens einem Laserimpuls bestrahlt wird, dessen Lichtstrom zunächst unter einem Schwellenwert liegt, unter dem das zweite Material für die verwendete Strahlung lichtdurchlässig ist und über dem es undurchlässig wird, und diesen danach überschreitet.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtheit mit mehreren Laserstrahlimpulsen bestrahlt wird.

3. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserimpulse unterschiedlich lange andauern, die einen, kurzen in der Größenordnung einer Nanosekunde, die anderen, längeren in der Größenordnung von zehn Nanosekunden.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahlimpuls eine steil ansteigende Flanke in der Größenordnung einer Nanosekunde und eine Dauer in der Größenordnung von zehn Nanosekunden aufweist.

5. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material vor der genannten Schockbehandlung einer Wärmebehandlung unterzogen wird, die darin besteht, daß die unbeschichtete Oberfläche der Probe mit Laserstrahlung behandelt wird.

6. Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Wärmebehandlung dienende Laserstrahlung aus mindestens einem Impuls besteht.

7. Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Wärmebehandlung dienende Laserimpuls eine Dauer zwischen 0,2 und 100 Nanosekunden aufweist.

8. Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Wärmebehandlung dienende Laserstrahlung kontinuierlich ist.

9. Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung der unbeschichteten Oberfläche der Probe in Anwesenheit eines mit der Oberfläche in Kontakt stehenden Fluids erfolgt.

10. Verfahren nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der Oberfläche in Kontakt stehende Fluid ein Gas ist.

11. Verfahren nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der Oberfläche in Kontakt stehende Fluid eine Flüssigkeit ist.

12. Verfahren nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Oberfläche in Kontakt stehende Flüssigkeit flüssiger Stickstoff ist.