RU2425907C2 - Procedure for modification of metal surfaces and device - Google Patents

Procedure for modification of metal surfaces and device Download PDF

Info

Publication number
RU2425907C2
RU2425907C2 RU2009115826/02A RU2009115826A RU2425907C2 RU 2425907 C2 RU2425907 C2 RU 2425907C2 RU 2009115826/02 A RU2009115826/02 A RU 2009115826/02A RU 2009115826 A RU2009115826 A RU 2009115826A RU 2425907 C2 RU2425907 C2 RU 2425907C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
working gas
reaction chamber
modified
plasma
Prior art date
Application number
RU2009115826/02A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2009115826A (en
Inventor
Сергей Николаевич Багаев (RU)
Сергей Николаевич Багаев
Геннадий Николаевич Грачев (RU)
Геннадий Николаевич Грачев
Александр Леонидович Смирнов (RU)
Александр Леонидович Смирнов
Павел Юрьевич Смирнов (RU)
Павел Юрьевич Смирнов
Original Assignee
Учреждение Российской Академии Наук Сибирское Отделение Ран Институт Лазерной Физики
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение Российской Академии Наук Сибирское Отделение Ран Институт Лазерной Физики filed Critical Учреждение Российской Академии Наук Сибирское Отделение Ран Институт Лазерной Физики
Priority to RU2009115826/02A priority Critical patent/RU2425907C2/en
Publication of RU2009115826A publication Critical patent/RU2009115826A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2425907C2 publication Critical patent/RU2425907C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • ing And Chemical Polishing (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: procedure for modification consists in forming flow of working gas containing carrying gas, and also chemically active reagents and/or alloying additives and in directing flow of working gas on modified surface. Also, surface is effected with laser pulse periodic radiation generating laser plasma on surface and/or near surface region. The device for realisation of the procedure consists of reaction chamber 24 equipped with element of positioning 17 of treated object 14, of input for flow of working gas and input 23 for laser radiation, of source of working gas, of facility for forming flow of working gas 28 in the reaction chamber, of pulse-periodic laser 20 and of unit for transmitting laser radiation into the reaction chamber and beam focusing designed for direction of laser beam on modified surface of an object.
EFFECT: improved functional properties of surface layer.
10 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технологиям изменения структуры или химического состава приповерхностного слоя объектов, выполненных из металлов или сплавов, например азотирования, цементации, легирования и др., с целью существенного улучшения функциональных свойств поверхностного слоя, таких как: износостойкость, ударопрочность, химическая и коррозионная устойчивость, и может использоваться для обработки поверхности деталей машин и механизмов, трубопроводов и насосов, элементов корпусов, функциональных и несущих металлоконструкций, отвечающих за основные характеристики, межремонтный и полный ресурс конечного продукта или технической системы.The invention relates to technologies for changing the structure or chemical composition of the surface layer of objects made of metals or alloys, for example, nitriding, cementation, alloying, etc., in order to significantly improve the functional properties of the surface layer, such as: wear resistance, impact resistance, chemical and corrosion resistance, and can be used for surface treatment of machine parts and mechanisms, pipelines and pumps, housing elements, functional and supporting metal structures, the answer guides for basic characteristics, and complete overhaul life of the final product or a technical system.

Металлические поверхности, стойкие к износу и ударам, химическому и окислительному воздействию, необходимы для разнообразного использования, например в машиностроении, автоматике, сельском хозяйстве, железнодорожной промышленности, самолетостроении, химической, нефтедобывающей и других отраслях промышленности. Стоимость восстановления изношенных поверхностей деталей машин и механизмов, трубопроводов, их элементов весьма значительна. Для снижения изнашивания поверхностей при трении и предупреждения коррозии традиционно используют смазочное масло. Также для упрочнения поверхности повсеместно используют азотирование, при выполнении которого применяются ванны с солями цианидов. Однако все эти технологии не только дороги сами по себе, но и опасны для окружающей среды.Metal surfaces, resistant to wear and tear, chemical and oxidative effects, are necessary for various uses, for example, in mechanical engineering, automation, agriculture, railway industry, aircraft manufacturing, chemical, oil and other industries. The cost of restoring worn surfaces of machine parts and mechanisms, pipelines, their elements is very significant. To reduce wear of surfaces during friction and to prevent corrosion, lubricating oil is traditionally used. Also, to harden the surface, nitriding is commonly used, during which baths with cyanide salts are used. However, all these technologies are not only expensive in themselves, but also dangerous for the environment.

Для предотвращения разрушения от коррозии и ударов основных поверхностей альтернативным решением может быть их покрытие защитным слоем, при этом они остаются в неприкосновенности. Однако такие покрытия могут существенно повысить вес узлов и механизмов. Хотя стоимость защиты поверхности от механического износа велика, еще выше стоимость защиты от коррозии и химического воздействия. Немецкая компания AUDI предложила лазерную систему, в которой используется ультрафиолетовый эксимерный лазер для модификации структуры поверхности и/или химического состава, чтобы создать защитное покрытие на поверхности двигателя. Такая система вращает блок двигателя, а лазер остается неподвижным. Это неэффективно с точки зрения обработки изогнутых поверхностей и имеет высокую стоимость. По этим причинам использование такого способа и системы ограничено.To prevent damage from corrosion and impacts of the main surfaces, an alternative solution is to cover them with a protective layer, while they remain intact. However, such coatings can significantly increase the weight of nodes and mechanisms. Although the cost of protecting the surface from mechanical wear is high, the cost of protecting against corrosion and chemical attack is even higher. The German company AUDI has proposed a laser system that uses an ultraviolet excimer laser to modify the surface structure and / or chemical composition to create a protective coating on the surface of the engine. Such a system rotates the engine block, and the laser remains stationary. It is inefficient in terms of processing curved surfaces and has a high cost. For these reasons, the use of such a method and system is limited.

Известен способ модификации поверхности объектов, выполненных из конструкционной стали, включающий очистку поверхности механическими средствами, покрытие гелем из нитрида кремния, сушку поверхности и обработку поверхности СO2-лазером [Патент США №5411770, МПК С23С 10/00]. В результате гель реагирует с поверхностью с образованием упрочненного сплава, обогащенного кремнием. Этот способ принят за прототип изобретения.A known method of surface modification of objects made of structural steel, including cleaning the surface by mechanical means, coating with silicon nitride gel, drying the surface and surface treatment with a CO 2 laser [US Patent No. 5411770, IPC С23С 10/00]. As a result, the gel reacts with the surface to form a hardened silicon enriched alloy. This method is adopted as a prototype of the invention.

К недостаткам прототипа относится его ограниченность созданием только одного типа покрытия на металлической поверхности.The disadvantages of the prototype include its limited creation of only one type of coating on a metal surface.

Изобретение решает задачу создания способа модификации поверхности, который позволяет получать на металлических поверхностях разнообразные покрытия.The invention solves the problem of creating a method of surface modification, which allows to obtain a variety of coatings on metal surfaces.

Поставленная задача решается тем, что предлагается способ модификации поверхности объекта, выполненного из металла или сплава, в соответствии с которым формируют поток рабочего газа, содержащего несущий газ и химически активные реагенты и/или легирующие добавки, и направляют названный поток рабочего газа на модифицируемую поверхность, при этом на названную модифицируемую поверхность воздействуют лазерным импульсно-периодическим излучением с образованием на названной модифицируемой поверхности и/или в ее приповерхностной области лазерной плазмы.The problem is solved in that a method is proposed for modifying the surface of an object made of metal or alloy, in accordance with which a working gas stream containing carrier gas and chemically active reagents and / or alloying additives is formed, and the said working gas stream is directed to the surface to be modified, wherein the said modified surface is affected by laser pulse-periodic radiation with the formation on the named modified surface and / or in its near-surface region of la grain plasma.

Лучшие результаты получают, если поток рабочего газа формируют с давлением не ниже 0.5 атм.The best results are obtained if the working gas flow is formed with a pressure of at least 0.5 atm.

При осуществлении способа, как правило, воздействие на модифицируемую поверхность лазерным импульсно-периодическим излучением осуществляют многократно.When implementing the method, as a rule, the impact on the surface to be modified by laser pulse-periodic radiation is carried out repeatedly.

В качестве несущего газа могут использовать инертный газ или смесь инертных газов.The carrier gas may be an inert gas or a mixture of inert gases.

Также в качестве несущего газа могут использовать химически активный газ или смесь химически активных газов.Also, a reactive gas or a mixture of reactive gases can be used as a carrier gas.

При осуществлении способа модифицируемую поверхность могут перемещать.When implementing the method, the surface to be modified can be moved.

Многократное, не менее 3-5, а преимущественно 10-100, разовое воздействие импульсно-периодического лазерного излучения на поверхность осуществляется сериями лазерных импульсов при неподвижном объекте или постоянно повторяющимися лазерными импульсами при относительном перемещении области облучения и поверхности объекта.Multiple, not less than 3-5, and mainly 10-100, one-time exposure to periodic periodic pulsed laser radiation on the surface is carried out by a series of laser pulses with a stationary object or constantly repeating laser pulses with relative movement of the irradiation area and the surface of the object.

Интенсивность воздействия лазерного излучения и приповерхностной плазмы предпочтительно обеспечивают нагрев поверхности объекта выше точки плавления уже в начальной части серии импульсов (преимущественно до 0,2 общего количества импульсов), а частота следования импульсов обеспечивает в основной части серии (после начальной) поддержание температуры поверхности в моменты перед началом очередного импульса в диапазоне от несколько меньшей (на 30-100 градусов) температуры плавления до приблизительно половины температуры плавления (например, для чугунов и сталей преимущественно выше температуры аустенизации).The intensity of the action of laser radiation and near-surface plasma preferably provides heating of the surface of the object above the melting point already in the initial part of the pulse series (mainly up to 0.2 of the total number of pulses), and the pulse repetition rate ensures that the surface temperature is maintained at the moments in the main part of the series (after the initial) before the start of the next pulse in the range from a slightly lower (30-100 degrees) melting point to about half the melting temperature (for example For cast iron and steels preferably above the austenitizing temperature).

Область воздействия лазерного излучения на поверхность формируется близкой по форме к области воздействия потока рабочего газа. Интенсивность излучения предпочтительно формируется постоянной по области облучения поверхности.The area of influence of laser radiation on the surface is formed close in shape to the area of influence of the working gas stream. The radiation intensity is preferably formed constant over the area of irradiation of the surface.

В качестве несущего газа могут использоваться как инертные газы: аргон, гелий, неон, которые не участвуют в протекающих в плазме химических реакциях, так и химически активные газы: азот, угарный газ, аммиак, пропан и др. или их смеси, которые могут участвовать в протекающих в плазме химических реакциях и быть источниками легирующих элементов.The carrier gas can be used as inert gases: argon, helium, neon, which do not participate in chemical reactions in the plasma, and chemically active gases: nitrogen, carbon monoxide, ammonia, propane, etc., or mixtures thereof, which can participate in chemical reactions taking place in plasma and to be sources of alloying elements.

Давление в потоке газа предпочтительно поддерживается выше атмосферного давления, но в некоторых случаях оно может быть ниже, например, при работе с токсическими газами с необходимостью откачки и утилизации вредных выбросов.The pressure in the gas stream is preferably maintained above atmospheric pressure, but in some cases it may be lower, for example, when working with toxic gases with the need for evacuation and disposal of harmful emissions.

Скорость потока рабочего газа обеспечивает смену исходных реагирующих/легирующих компонентов и в зависимости от частоты следования лазерных импульсов поддерживается в диапазоне 1-100 м/с.The working gas flow rate provides a change in the initial reacting / doping components and, depending on the laser pulse repetition rate, is maintained in the range of 1-100 m / s.

Легирующие добавки или/и химически активные реагенты могут содержаться в рабочем газе в виде газов, паров, микро- и/или наноаэрозолей, в том числе в виде стехиометрической смеси различных аэрозолей, в том числе тугоплавких.Alloying additives and / or chemically active reagents can be contained in the working gas in the form of gases, vapors, micro- and / or nanoaerosols, including in the form of a stoichiometric mixture of various aerosols, including refractory ones.

Обрабатываемая поверхность во время процесса лазерно-плазменной модификации может перемещаться, если это необходимо.The treated surface during the laser-plasma modification process can move, if necessary.

Способ основан на зажигании лазерной плазмы вблизи поверхности обрабатываемого объекта, на которую также воздействует поток несущего газа, содержащий легирующие добавки и/или химически активные реагенты, ее поддержании и управлении ею, а также осуществлении плазмохимических реакций, как непосредственно в названной плазме, так и на поверхности обрабатываемого объекта с одновременной термохимической обработкой поверхности металла с целью получения модифицированного поверхностного слоя объекта, обладающего высокими эксплуатационными свойствами.The method is based on the ignition of a laser plasma near the surface of the treated object, which is also affected by a carrier gas stream containing dopants and / or chemically active reagents, its maintenance and management, as well as the implementation of plasma-chemical reactions, both directly in the named plasma, and the surface of the treated object with simultaneous thermochemical treatment of the metal surface in order to obtain a modified surface layer of the object with high operational and properties.

Например, способ применим для азотирования и/или цементации поверхности чугунов и сталей, для легирования чистыми металлами или сплавами с формированием пересыщенных твердых растворов и образованием интерметаллидов, для легирования карбидами тугоплавких металлов (TiC, VC, TaC, WC и др).For example, the method is applicable for nitriding and / or cementing the surface of cast irons and steels, for alloying with pure metals or alloys with the formation of supersaturated solid solutions and the formation of intermetallic compounds, for alloying with carbides of refractory metals (TiC, VC, TaC, WC, etc.).

В частности, способ применим для высокопроизводительной лазерно-плазменной модификации поверхности гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания с образованием высокотвердого наноструктурированного поверхностного слоя (толщиной десятки-сотни нанометров), содержащего карбиды и нитриды железа, а также подслой толщиной до десятков микрон с преимущественно мартенситной структурой.In particular, the method is applicable for high-performance laser-plasma modification of the cylinder liner surface of internal combustion engines with the formation of a high-hard nanostructured surface layer (tens to hundreds of nanometers thick) containing iron carbides and nitrides, as well as a sublayer up to tens of microns thick with a predominantly martensitic structure.

Этот способ может быть осуществлен с использованием предлагаемого устройства.This method can be carried out using the proposed device.

Устройство для модификации металлической поверхности объекта содержит реакционную камеру, снабженную средством позиционирования обрабатываемого объекта, входом для потока рабочего газа и входом для лазерного излучения, источник рабочего газа, средство формирования потока рабочего газа в реакционной камере, импульсно-периодический лазер и средство доставки лазерного излучения в реакционную камеру и фокусировки луча, выполненное с возможностью направления луча на модифицируемую поверхность объекта.A device for modifying the metal surface of an object comprises a reaction chamber equipped with a means for positioning the object to be processed, an input for a working gas flow and an input for laser radiation, a working gas source, means for generating a working gas flow in the reaction chamber, a pulse-periodic laser, and a laser radiation delivery means in a reaction chamber and beam focusing, configured to direct the beam to the surface of the object to be modified.

Устройство целесообразно оснастить средством управления в виде управляющего процессора.It is advisable to equip the device with a control tool in the form of a control processor.

Средство позиционирования обрабатываемого объекта может быть выполнено с возможностью его перемещения.The positioning tool of the processed object can be made with the possibility of its movement.

Средство доставки лазерного излучения в реакционную камеру и фокусировки луча выполнено таким образом, что лазерный луч воздействует на модифицируемую поверхность.The means for delivering laser radiation to the reaction chamber and focusing the beam is designed so that the laser beam acts on the surface to be modified.

Первый вариант устройства для модификации поверхности изображен на фиг.1.The first embodiment of a device for surface modification is shown in FIG.

Схема лазерно-плазменного воздействия на поверхность объекта изображена на фиг.1а.Scheme of laser-plasma exposure to the surface of the object is shown in figa.

Второй вариант устройства для модификации поверхности описанным способом изображен на фиг.2.The second variant of the device for surface modification in the manner described is shown in figure 2.

Последовательность стадий осуществления способа модификации поверхности приведена на фиг.3.The sequence of stages of the method of surface modification is shown in Fig.3.

На фиг.1, 1а и 2 следующие позиции означают:In figure 1, 1A and 2, the following positions mean:

10 - устройство для осуществления способа модификации внешних поверхностей или внутренних открытых полостей с радиусом кривизны поверхности не менее 0,1 м;10 - a device for implementing the method of modifying external surfaces or internal open cavities with a radius of curvature of the surface of at least 0.1 m;

12 - модифицированный слой поверхности;12 - modified surface layer;

12а - поверхностная зона, преимущественно состоящая из синтезированных в плазме или на поверхности целевых соединений или слоя легирующих элементов/соединений;12a is a surface zone, mainly consisting of target compounds or a layer of alloying elements / compounds synthesized in plasma or on the surface;

12b - зона, свойства и характеристики которой, в основном, определяются диффузией легирующих элементов;12b - zone, the properties and characteristics of which are mainly determined by the diffusion of alloying elements;

12с - зона, свойства и структура которой, в основном, определяются термическими фазовыми превращениями;12c - zone, the properties and structure of which are mainly determined by thermal phase transformations;

14 - обрабатываемый объект;14 - the processed object;

15 - термостат - средство нагрева или охлаждения обрабатываемого объекта;15 - thermostat - means for heating or cooling the processed object;

16 - лазерная плазма;16 - laser plasma;

17 - средство позиционирования/перемещения обрабатываемого объекта и/или реакционной камеры;17 - means for positioning / moving the workpiece and / or the reaction chamber;

18 - поток рабочего газа;18 - flow of working gas;

20 - импульсно-периодический лазер;20 - pulse-periodic laser;

22 - оптическая система для транспортировки и формирования зоны облучения на модифицируемой поверхности объекта;22 - an optical system for transporting and forming an irradiation zone on a modifiable surface of an object;

23 - оптическое окно для входа в реакционную камеру лазерного излучения;23 is an optical window for entering the laser radiation reaction chamber;

24 - реакционная камера;24 - reaction chamber;

26 - лазерное излучение;26 - laser radiation;

27 - элемент для каналирования луча и защитного газа;27 - element for channeling the beam and protective gas;

28 - средство формирования потока рабочего газа;28 - means for forming a working gas stream;

29 - поток защитного газа;29 - a stream of protective gas;

30 - средство управления;30 - management tool;

32 - система измерения и контроля характеристик лазерного излучения;32 - a system for measuring and monitoring the characteristics of laser radiation;

34 - система измерения и контроля характеристик излучения лазерной плазмы и температуры обрабатываемой поверхности;34 - a system for measuring and monitoring the characteristics of laser plasma radiation and the temperature of the treated surface;

36 - регулируемый вентиль;36 - adjustable valve;

37 - регулируемый вентиль/вентили;37 - adjustable valve / s;

38 - регулируемый вентиль/вентили;38 - adjustable valve / s;

40 - средство подготовки/смешения с легирующими добавками и химическими реагентами рабочего газа;40 - preparation / mixing means with alloying additives and working gas chemicals;

42 - средство подачи несущего газа;42 - carrier gas supply means;

44 - источник газа (источники газов) - носителя и/или активного газа (газов);44 - gas source (gas sources) - carrier and / or active gas (gases);

46 - элемент реакционной камеры, обеспечивающий малый зазор с поверхностью обрабатываемого объекта 14;46 - element of the reaction chamber, providing a small gap with the surface of the processed object 14;

48 - поток отработанного рабочего газа;48 - flow of exhaust working gas;

50 - устройство для осуществления способа модификации внутренних цилиндрических поверхностей с вращающейся реакционной камерой;50 - a device for implementing the method of modifying the inner cylindrical surfaces with a rotating reaction chamber;

52 - перемещаемая платформа;52 - movable platform;

54 - средство вращения реакционной камеры;54 - means for rotating the reaction chamber;

56 - обойма, служащая также коллектором для подачи в реакционную камеру газов и охлаждения;56 - clip, which also serves as a collector for supplying gas to the reaction chamber and cooling;

58 - внутренние кольцевые канавки;58 - inner annular grooves;

59 - сквозные отверстия;59 - through holes;

60 - прокладки;60 - gaskets;

62 - средство подачи рабочего газа;62 - means for supplying a working gas;

64 - зеркало;64 - a mirror;

65 - торец средства 28 со стороны поверхности объекта 14;65 - the end face of the tool 28 from the side of the surface of the object 14;

66 - пружина.66 - spring.

С помощью устройства 10, показанного на фиг.1, способ модификации внешних поверхностей или внутренних открытых полостей с радиусом кривизны поверхности не менее 0,1 м осуществляют следующим образом.Using the device 10 shown in FIG. 1, a method for modifying external surfaces or internal open cavities with a surface curvature radius of at least 0.1 m is as follows.

Излучение 26 импульсно-периодического лазера 20 оптической системой 22 для транспортировки и формирования лазерного луча направляется в реакционную камеру 24 и совмещается со скоростным потоком 18 рабочего газа, состоящим из несущего газа и легирующих элементов, химически активных реагентов. В области воздействия лазерного луча на поверхность должна быть обеспечена интенсивность выше пороговой для зажигания приповерхностной лазерной плазмы 16 (фиг.3). Например, для СO2-лазера уровень интенсивности излучения в зависимости от вида газа-носителя (аргон, гелий, неон, азот, кислород и др.), вида реагентов и легирующих добавок (пары, аэрозоли), длительности и частоты следования лазерных импульсов обычно находится в диапазоне 0,1-100 МВт/см2, но этот диапазон может быть и шире. Не вдаваясь в детали физических и физико-химических механизмов, процесс образования (80 фиг.3) модифицированного слоя 12 можно разделить на четыре основные стадии, которые рассмотрим для основной части (после начальной) серии импульсов, когда процесс становиться стабильно повторяющимся.The radiation 26 of a repetitively pulsed laser 20 by an optical system 22 for transporting and forming a laser beam is directed into the reaction chamber 24 and is combined with a high-speed working gas stream 18 consisting of a carrier gas and alloying elements, chemically active reagents. In the area of the laser beam on the surface, an intensity above the threshold for ignition of the near-surface laser plasma 16 should be provided (Fig. 3). For example, for a CO 2 laser, the level of radiation intensity depends on the type of carrier gas (argon, helium, neon, nitrogen, oxygen, etc.), the type of reagents and dopants (vapors, aerosols), the duration and frequency of laser pulses usually is in the range of 0.1-100 MW / cm 2 , but this range may be wider. Without going into details of the physical and physicochemical mechanisms, the formation process (80 of Fig. 3) of the modified layer 12 can be divided into four main stages, which we will consider for the main part (after the initial) series of pulses, when the process becomes stably repeating.

Стадия 1 (82 фиг.3): - образование лазерной плазмы. В первой фазе стадии 1 на переднем фронте лазерного импульса происходит быстрый нагрев поверхностного слоя (12а фиг.1а), сопровождающийся термо/фотоэмиссией электронов. Эти электроны вместе с электронами, оставшимися от предыдущей лазерной плазмы, являются инициаторами лавинообразного развития оптического разряда. Для уменьшения абляции слоя 12а предпочтительно осуществление этой фазы за короткое (менее 50 нс, предпочтительно 10-20 нс) время. Во второй фазе во время действия основной части лазерного импульса происходит образование и развитие приповерхностной лазерной плазмы 16 с быстрым ее нагреванием до температуры 10-20 тысяч градусов Цельсия, ионизация и диссоциация (если несущий газ молекулярный, или исходные химические реагенты присутствуют в рабочем газе в виде молекулярных газов, паров и пр.), нагрев и, по крайней мере, частичное плавление и испарение (в том числе абляция) микрочастиц легирующих добавок, если они находятся в рабочем газе в виде аэрозолей. Во второй фазе плотная лазерная плазма практически полностью поглощает лазерное излучение, а нагрев поверхности преимущественно осуществляется излучением и теплопередачей плазмы.Stage 1 (82 figure 3): - the formation of a laser plasma. In the first phase of stage 1, at the leading edge of the laser pulse, a rapid heating of the surface layer occurs (12a of Fig. 1a), accompanied by thermal / photoemission of electrons. These electrons, together with the electrons left from the previous laser plasma, are the initiators of the avalanche-like development of the optical discharge. To reduce the ablation of layer 12a, it is preferable to carry out this phase in a short (less than 50 ns, preferably 10-20 ns) time. In the second phase, during the action of the main part of the laser pulse, the surface laser plasma 16 forms and develops with its rapid heating to a temperature of 10-20 thousand degrees Celsius, ionization and dissociation (if the carrier gas is molecular, or the initial chemical reagents are present in the working gas in the form molecular gases, vapors, etc.), heating and at least partial melting and evaporation (including ablation) of microparticles of alloying additives, if they are in the working gas in the form of aerosols. In the second phase, a dense laser plasma almost completely absorbs laser radiation, and surface heating is predominantly carried out by radiation and heat transfer of the plasma.

Стадия 2 (84 фиг.3) - эта стадия частично совпадает по времени с первой стадией: происходит сверхзвуковое (ударно-волновое) расширение лазерной плазмы, которое сопровождается нагреванием дополнительных, граничных с плазмой, областей рабочего газа, в том числе их диссоциация, ионизация и активация, выравниванием давления плазмы с давлением окружающего газа и общим охлаждением плазмы до температуры в 2-3 раза ниже температуры плазмы в стадии образования.Stage 2 (84 figure 3) - this stage partially coincides in time with the first stage: there is a supersonic (shock-wave) expansion of the laser plasma, which is accompanied by heating of additional areas of the working gas bordering the plasma, including their dissociation, ionization and activation, by equalizing the plasma pressure with the pressure of the surrounding gas and general cooling of the plasma to a temperature 2-3 times lower than the temperature of the plasma at the stage of formation.

В первой и второй стадиях происходит наиболее интенсивный нагрев поверхности до высоких температур (как правило, выше точки плавления), а также насыщение поверхностного слоя (12а) легирующими элементами. Создаются условия для образования теплового и диффузионного (легирующих элементов) потоков в материал объекта.In the first and second stages, the surface is most intensively heated to high temperatures (usually above the melting point), as well as the surface layer (12a) is saturated with alloying elements. Conditions are created for the formation of thermal and diffusion (alloying elements) flows into the material of the object.

Стадия 3 (86 фиг.3): - продолжается передача энергии лазерной плазмы поверхности объекта (и микрочастицам легирующих добавок, если присутствуют), сопровождающаяся остыванием плазмы и некоторой стабилизацией температуры поверхности (как правило, выше точки плавления). На этой стадии интенсивно протекают плазмохимические реакции, которые приводят к образованию высокоактивированных соединений и зародышей наночастиц, если исходные реагенты используются в виде газов или паров. В случае присутствия легирующих добавок в виде микрочастиц происходит их, по крайней мере, частичное расплавление. Продукты плазмохимических реакций и/или расплавленные (по крайней мере, частично) микрочастицы легирующих добавок выносятся потоком на поверхность объекта, синтезируя/образуя слой 12а (фиг.1а), а в материале объекта распространяются диффузионная и тепловая волны, образуя зоны 12b и 12с (фиг.1а) соответственно.Stage 3 (86 figure 3): the transfer of laser plasma energy to the surface of the object (and dopant microparticles, if present) continues, accompanied by cooling of the plasma and some stabilization of the surface temperature (usually above the melting point). Plasma-chemical reactions proceed intensively at this stage, which lead to the formation of highly activated compounds and nanoparticle nuclei if the starting reagents are used in the form of gases or vapors. In the presence of dopants in the form of microparticles, their at least partial melting occurs. The products of plasma-chemical reactions and / or the molten (at least partially) microparticles of the dopants are carried by the stream to the surface of the object, synthesizing / forming a layer 12a (figa), and diffusion and thermal waves propagate in the material of the object, forming zones 12b and 12c ( figa), respectively.

Стадия 4 (88 фиг.3): остывшая, практически полностью рекомбинированная плазма сдувается потоком рабочего газа, который приносит «свежую» порцию химически активных и легирующих добавок. Из-за отвода тепла вглубь металла температура обрабатываемой поверхности уменьшается, предпочтительно ниже точки плавления, чтобы устранить гидродинамические эффекты искажения формы поверхности, в частности выплеск расплава давлением лазерной плазмы от следующего импульса излучения.Stage 4 (88 figure 3): a cooled, almost completely recombined plasma is blown away by the flow of the working gas, which brings a "fresh" portion of chemically active and alloying additives. Due to the removal of heat deeper into the metal, the temperature of the treated surface decreases, preferably below the melting point, in order to eliminate the hydrodynamic effects of surface shape distortion, in particular, the melt splash by the pressure of the laser plasma from the next radiation pulse.

Окончательное формирование зон 12b и 12с (фиг.1а) происходит после завершения серии лазерных импульсов и фазово-структурных превращений в металле объекта. Отметим, что обозначение зон 12b и 12с относительно условно, так как они не имеют четких границ. Концентрация диффундирующих легирующих добавок (и/или соединений с их участием), а также их влияние на структуру и свойства материала в зоне 12b постепенно уменьшаются с увеличением расстояния от поверхности. То же относится и к зоне термических фазовых превращений 12 с, которая в некоторых случаях может отсутствовать.The final formation of zones 12b and 12c (figa) occurs after the completion of a series of laser pulses and phase-structural transformations in the metal of the object. Note that the designation of zones 12b and 12c is relatively arbitrary, since they do not have clear boundaries. The concentration of diffusing alloying additives (and / or compounds with their participation), as well as their effect on the structure and properties of the material in zone 12b, gradually decrease with increasing distance from the surface. The same applies to the zone of thermal phase transformations of 12 s, which in some cases may be absent.

Для эффективного использования легирующих добавок и/или химических реагентов предпочтительное сечение потока рабочего газа, формируемого элементом 28 реакционной камеры 24, практически совпадает с формой области воздействия лазерного луча 26b на поверхность объекта, а предпочтительная скорость потока устанавливается не более произведения частоты следования лазерных импульсов на размер лазерной плазмы в направлении потока после завершения стадии 2.For the effective use of dopants and / or chemicals, the preferred cross-section of the working gas stream formed by the element 28 of the reaction chamber 24 practically coincides with the shape of the area of action of the laser beam 26b on the surface of the object, and the preferred flow rate is set no more than the product of the laser pulse repetition rate by the size laser plasma in the direction of flow after completion of stage 2.

Например, для СО2-лазера, обеспечивающего частоту следования лазерных импульсов в диапазоне 5-100 кГц, предпочтительная скорость потока рабочего газа с ростом вышеупомянутой частоты может быть в диапазоне от 10 до 100 м/с.For example, for a CO 2 laser providing a laser pulse repetition rate in the range of 5-100 kHz, the preferred working gas flow rate with an increase in the aforementioned frequency can be in the range from 10 to 100 m / s.

Однако указанные диапазоны не являются обязательными и могут быть расширены. Например, при использовании легирующих добавок в виде достаточно крупных (более 10-20 мкм) микроаэрозолей предпочтительная скорость потока рабочего газа может быть значительно и даже многократно снижена для увеличения времени действия лазерного излучения и плазмы.However, these ranges are optional and may be extended. For example, when using dopants in the form of sufficiently large (more than 10–20 μm) microaerosols, the preferred flow rate of the working gas can be significantly and even many times reduced to increase the duration of laser radiation and plasma.

Для экономически эффективной, высокопроизводительной реализации лазерно-плазменного способа модификации поверхности металлов предпочтителен лазер или лазерная система 20 с высокой частотой следования лазерных импульсов - более 5000 Гц (в некоторых случаях эта частота может быть ниже), имеющие такую мощность лазерных импульсов, чтобы происходило образования лазерной плазмы 16. Например, в одном из успешных воплощений применялся СО2-лазер с частотой следования импульсов от сотен герц до 100 кГц и импульсной мощностью на уровне десятков и сотен киловатт. Могут применяться также лазеры других типов, как газовые, так и твердотельные, с другими диапазонами мощностей.For a cost-effective, high-performance implementation of the laser-plasma method of surface modification of metals, a laser or a laser system 20 is preferred with a high repetition rate of laser pulses — more than 5000 Hz (in some cases, this frequency may be lower) having such a laser pulse power that a laser pulse is generated plasma 16. For example, in one of the successful embodiments, a CO 2 laser was used with a pulse repetition rate from hundreds of hertz to 100 kHz and a pulse power of tens and hundreds yen kilowatt. Other types of lasers, both gas and solid state, with other power ranges, can also be used.

Оптическая система 22 предназначена для транспортировки и формирования лазерного излучения, а также для направления части излучения (как правило, незначительной) в системы измерения и контроля характеристик лазерного излучения 32, а также излучения лазерной плазмы и температуры обрабатываемой поверхности 34. Например, система 22 может состоять из нескольких зеркал, в том числе подвижных, обеспечивающих перемещение лазерного луча, в том числе с перемещающейся у поверхности обрабатываемого объекта реакционной камерой, формирование луча в потоке рабочего газа 18 на поверхности объекта, а также для поочередного направления лазерного луча в разные реакционные камеры, если устройство имеет несколько реакционных камер. В другом воплощении изобретения система для транспортировки и фокусировки лазерного излучения 22 может включать оптическое волокно для транспортировки лазерного излучения на одном или нескольких участках оптического тракта.The optical system 22 is designed to transport and generate laser radiation, as well as to direct part of the radiation (usually insignificant) to the systems for measuring and monitoring the characteristics of laser radiation 32, as well as laser plasma radiation and the temperature of the treated surface 34. For example, system 22 may consist from several mirrors, including movable ones, that provide movement of the laser beam, including a reaction chamber moving at the surface of the object being processed, beam formation in working gas stream 18 on the surface of the object, and for alternately directing the laser beam in different reaction chambers, if the device has a plurality of reaction chambers. In another embodiment of the invention, a system for transporting and focusing laser radiation 22 may include an optical fiber for transporting laser radiation in one or more sections of the optical path.

В предпочтительных вариантах воплощения система 22 содержит, по крайней мере, одно дифракционное зеркало для формирования области воздействия лазерного луча в предпочтительном для конкретной технологии виде (например, близкой к прямоугольной или круглой форме) с близкой к равномерной (однородной) интенсивностью засветки.In preferred embodiments, the system 22 comprises at least one diffraction mirror for forming a laser beam exposure region in a form preferred for a particular technology (for example, close to a rectangular or round shape) with a close to uniform (uniform) illumination intensity.

В предпочтительных вариантах воплощения система 22 содержит одно или несколько полупрозрачных частично отражающих элементов, например оптические клинья с плоскими поверхностями, через которые проходит лазерный луч, для отражения части излучения в системы 32, 34, а также, по меньшей мере, одну линзу для фокусировки луча или согласования участков оптического тракта.In preferred embodiments, the system 22 comprises one or more translucent partially reflective elements, for example optical wedges with flat surfaces through which the laser beam passes, to reflect part of the radiation into the systems 32, 34, as well as at least one lens for focusing the beam or coordination of sections of the optical path.

Оптическая система 22 направляет излучение лазера на входное окно 23 реакционной камеры 24, которое может быть выполнено в форме линзы. Сходящийся лазерный луч 26b проходит внутри защитной полости 27 (фиг.1), в которую для значительного снижения, вплоть до полного устранения, поглощения лазерной энергии потоком рабочего газа 18 на участке луча перед плазмой, а также для предохранения входного окна 23 от нежелательного воздействия смеси 18 и плазмы, в частности продуктов абляции, подается защитный газ 29, как правило, несущий газ под статическим давлением, незначительно, на 0,1-1 кПа превышающим давление в средстве формирования потока 28.The optical system 22 directs the laser radiation to the input window 23 of the reaction chamber 24, which can be made in the form of a lens. A converging laser beam 26b passes inside the protective cavity 27 (Fig. 1), in which to significantly reduce, until completely eliminating, the absorption of laser energy by the flow of the working gas 18 in the beam section in front of the plasma, as well as to protect the entrance window 23 from undesirable exposure to the mixture 18 and plasma, in particular ablation products, shielding gas 29 is supplied, typically a carrier gas under static pressure, slightly 0.1-1 kPa higher than the pressure in the flow forming means 28.

Конструкция реакционной камеры 24, кроме окна 23 для ввода лазерного луча, может содержать окна для диагностики лазерной плазмы 16 и получаемого покрытия 12, например для видеоконтроля или оптической пирометрии.The design of the reaction chamber 24, in addition to the window 23 for introducing a laser beam, may include windows for diagnosing the laser plasma 16 and the resulting coating 12, for example, for video monitoring or optical pyrometry.

Для формирования сечения потока рабочего газа 18, близкого к размерам лазерной плазмы 16, выходное отверстие или сопло средства формирования потока рабочего газа 28 реакционной камеры 24 предпочтительно выполнять близким к форме области воздействия лазерного луча.To form a cross-section of the working gas stream 18 close to the dimensions of the laser plasma 16, the outlet or nozzle of the working gas stream forming means 28 of the reaction chamber 24 is preferably made close to the shape of the laser beam.

Корпус реакционной камеры 24 и теплонапряженные элементы конструкции 27, 28 ряда узлов средства 17 и системы 22 и другие могут принудительно охлаждаться водой или другим хладагентом.The body of the reaction chamber 24 and the heat-stressed structural elements 27, 28 of a number of units of the means 17 and the system 22 and others can be forced to cool with water or other refrigerant.

Система подготовки химических реагентов 40 может состоять из одной или нескольких подсистем (не показаны) с разными вариантами исполнения и различными видами реагентов (газы, пары, аэрозоли).The chemical preparation system 40 may consist of one or more subsystems (not shown) with different versions and different types of reagents (gases, vapors, aerosols).

Например, в одном из воплощений устройства для подачи реагентов в виде паров гексаметилдисилазана испарение производится в среде несущего газа, который подается через регулируемый вентиль 38 из общей магистрали названного газа 42, а расход и концентрация примеси регулируются температурой испарителя и расходом газа-носителя через регулируемый вентиль 38. В одном из других удачных воплощений для подачи химических реагентов в виде микроаэрозолей углерода и Si3N4 применяются регулируемые дозаторы микропорошков с образованием взвеси с несущим газом.For example, in one embodiment of a device for supplying reagents in the form of hexamethyldisilazane vapors, evaporation is carried out in a carrier gas medium, which is supplied through an adjustable valve 38 from a common gas line 42, and the flow rate and impurity concentration are controlled by the temperature of the evaporator and the flow rate of the carrier gas through the adjustable valve 38. in one successful embodiment, other chemical reagents for supplying a carbon mikroaerozoley and Si 3 N 4 used adjustable dosing micropowder to form a slurry with the carrier m gas.

Температура обрабатываемого объекта, наряду с другими параметрами процесса, оказывает определяющее влияние на скорость диффузии легирующих элементов, структуру и фазовый состав, а также свойства образующихся приповерхностных зон 12b и 12с. Например, для увеличения мартенситной структурной составляющей при обработке высокоуглеродистых сталей и чугунов желательно дополнительное охлаждение объекта. Поэтому целесообразно располагать обрабатываемый объект 14 на специальных средствах - опорных столах и т.п., которые связаны хорошим тепловым контактом с узлом 15, обеспечивающим функции термостата - нагрев или охлаждение, т.е. поддержание температуры объекта в заданных пределах, контролируемых управляющим процессором 30.The temperature of the treated object, along with other process parameters, has a decisive influence on the diffusion rate of alloying elements, the structure and phase composition, as well as the properties of the formed near-surface zones 12b and 12c. For example, to increase the martensitic structural component during the processing of high-carbon steels and cast irons, additional cooling of the object is desirable. Therefore, it is advisable to place the processed object 14 on special tools - supporting tables, etc., which are connected by good thermal contact with the node 15, providing thermostat functions - heating or cooling, i.e. maintaining the temperature of the object within predetermined limits controlled by the control processor 30.

Управляющий процессор 30, принимая и обрабатывая сигналы измерительных систем 32, 34 и др., а также узлов 15, 17 через исполнительные устройства и механизмы (не показаны), управляет работой лазера 20, узлов 15, 17, средств 40, 54 и др., а также регулируемых вентилей 36, 37, 38 (возможно, некоторых других) и обеспечивает выполнение процесса в соответствии со стадиями, показанными на фиг.3.The control processor 30, receiving and processing signals of measuring systems 32, 34, etc., as well as nodes 15, 17 through actuators and mechanisms (not shown), controls the operation of the laser 20, nodes 15, 17, means 40, 54, etc. as well as adjustable valves 36, 37, 38 (possibly some others) and ensures that the process is performed in accordance with the steps shown in FIG. 3.

Узел/узлы средства 17 обеспечивают позиционирование и/или относительное перемещение обрабатываемого объекта и, соответственно, области воздействия лазерной плазмы на поверхность объекта, которое может быть поступательным, вращательным, комбинированным.The node / nodes of the means 17 provide positioning and / or relative movement of the processed object and, accordingly, the area of influence of the laser plasma on the surface of the object, which can be translational, rotational, combined.

Более подробно заявляемый способ синтеза покрытий, основные стадии которого показаны на фиг.3, состоит в следующем.In more detail, the claimed method for the synthesis of coatings, the main stages of which are shown in figure 3, is as follows.

В качестве обрабатываемых объектов, используемых для модификации поверхности по данному способу, могут быть детали различных геометрических форм, состоящие из металлов или сплавов.As the processed objects used to modify the surface of this method, there may be parts of various geometric shapes, consisting of metals or alloys.

Подготовка поверхности обрабатываемого объекта 70 (фиг.3) к нанесению покрытий в некоторых случаях может быть механической (токарная, фрезерная, пескоструйная обработка, хонингование, шлифовка и т.п.), в других случаях - химической, с применением моющих и/или химических средств, в том числе с применением ультразвуковых устройств и т.п., а также комбинированной. Важно отметить, что во многих случаях предварительной обработки поверхности не требуется, так как лазерная плазма в совокупности с лазерным излучением оказывают сильное очищающее воздействие на поверхность обрабатываемого объекта. Установка и закрепление обрабатываемого объекта 14 в некоторых случаях должна обеспечивать хороший (с малой разницей температур) тепловой контакт с термостатом 15. В некоторых других случаях, когда тепло, передаваемое обрабатываемому объекту в процессе лазерно-плазменной обработки, нагревает поверхность объекта до температуры в некоторых заданных оптимальных пределах, тепловой контакт может быть плохим или не требоваться работы термостата 15.The surface preparation of the treated object 70 (Fig. 3) for coating may in some cases be mechanical (turning, milling, sandblasting, honing, grinding, etc.), in other cases, chemical, using detergents and / or chemical means, including using ultrasonic devices, etc., as well as combined. It is important to note that in many cases surface pretreatment is not required, since the laser plasma in conjunction with laser radiation have a strong cleaning effect on the surface of the object being processed. Installation and fixing of the treated object 14 in some cases should provide good (with a small temperature difference) thermal contact with the thermostat 15. In some other cases, when the heat transferred to the processed object during laser-plasma processing heats the surface of the object to a temperature in some specified optimal limits, thermal contact may be poor or thermostat 15 may not be required.

Подготовка реакционной камеры (72, фиг.3) кроме очевидных профилактических чисток или чисток при замене состава легирующих добавок и исходных реагентов заключается в некоторых случаях (фиг.1) в продувке объема реакционной камеры несущим газом предпочтительно с многократной (3-10 раз) заменой первоначального воздуха на несущий газ.The preparation of the reaction chamber (72, FIG. 3), in addition to the obvious preventive cleanings or cleanings when replacing the composition of the dopants and the starting reagents, consists in some cases (FIG. 1) in purging the reaction chamber with carrier gas, preferably with multiple (3-10 times) replacement initial air to the carrier gas.

Начало лазерно-плазменного процесса 74 состоит в зажигании и поддержании в течение некоторого (малого) времени лазерной плазмы 16 в потоке несущего газа (как правило, без легирующих добавок и химических реагентов) для очистки, активации и установления некоторой предпочтительной температуры поверхности обрабатываемого объекта.The beginning of the laser-plasma process 74 consists in igniting and maintaining for some (small) time the laser plasma 16 in the carrier gas stream (usually without dopants and chemicals) to clean, activate and establish a certain preferred surface temperature of the treated object.

Подача смеси легирующих добавок и/или исходных химических реагентов 76, и формирование потока рабочего газа происходят практически одновременно после завершения лазерно-плазменного процесса подготовки поверхности объекта 74 и продолжаются до завершения всего процесса модификации поверхности объекта.The supply of a mixture of dopants and / or starting chemicals 76, and the formation of a working gas stream occur almost simultaneously after the completion of the laser-plasma process of preparing the surface of the object 74 and continue until the completion of the entire process of modifying the surface of the object.

В качестве составляющих смесей из легирующих добавок и исходных реагентов могут применяться различные химические элементы и соединения в различных агрегатных состояниях.As constituent mixtures of alloying additives and starting reagents, various chemical elements and compounds in various states of aggregation can be used.

Например, в некоторых одних удачных воплощениях этого способа для модификации (азотирования) поверхности чугуна достаточно использовать газообразный азот (N2), причем без других добавок.For example, in some successful embodiments of this method, it is sufficient to use nitrogen gas (N 2 ) to modify (nitrize) the surface of cast iron, without any other additives.

Лазерно-плазменная модификация поверхности 80 (включающая стадии 82, 84, 86, 88, описанные выше) проводится практически одновременно (со сдвигом на время, необходимое для модификации начальной области) с относительным перемещением 90 поверхности обрабатываемого объекта и области воздействия потока лазерной плазмы.Laser-plasma modification of the surface 80 (including the stages 82, 84, 86, 88 described above) is carried out almost simultaneously (with a shift by the time required to modify the initial region) with a relative movement of 90 of the surface of the treated object and the area of influence of the laser plasma stream.

В некоторых других случаях, когда требуется получить область модификации поверхности объекта с меньшими размерами относительно размера области воздействия лазерной плазмы, могут применяться апертурные маски (не показаны) с отверстиями/прорезями необходимой формы, которые накладываются на поверхность объекта и ограничивают область обработки объекта.In some other cases, when it is required to obtain an area of modification of the surface of an object with smaller dimensions relative to the size of the area of influence of the laser plasma, aperture masks (not shown) with holes / slots of the required shape that are superimposed on the surface of the object and limit the processing area of the object can be used.

По окончании некоторого заданного процесса модификации поверхности прекращается подача химических реагентов, а лазерный луч может быть перекрыт или направлен в другую реакционную камеру 94, если устройство лазерно-плазменной модификации содержит несколько реакционных камер.At the end of some predetermined surface modification process, the supply of chemical reagents ceases, and the laser beam can be blocked or directed to another reaction chamber 94 if the laser-plasma modification device contains several reaction chambers.

В некоторых случаях смена обрабатываемого объекта 96 производится после достаточного времени присутствия обработанного объекта в инертной атмосфере (как правило, в среде несущего газа для снижения температуры покрытия 12а и поверхности объекта ниже некоторой определенной, при превышении которой возможно нежелательное воздействие воздушной атмосферы.In some cases, the change of the processed object 96 is carried out after a sufficient time of the presence of the treated object in an inert atmosphere (usually in a carrier gas medium to lower the temperature of the coating 12a and the surface of the object below a certain one, exceeding which may cause undesirable exposure to the air atmosphere.

По сравнению с вариантом устройства 10 (фиг.1) устройство 50 (фиг.2) предназначено для осуществления способа модификации внутренних цилиндрических поверхностей с возможностью вращения реакционной камеры, когда обрабатываемый объект громоздкий (например, блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания) или диаметр обрабатываемого цилиндра преимущественно не более ~0,2 м.Compared with a variant of the device 10 (FIG. 1), the device 50 (FIG. 2) is designed to implement a method for modifying the inner cylindrical surfaces with the possibility of rotation of the reaction chamber when the workpiece is bulky (for example, a cylinder block of an internal combustion engine) or the diameter of the work cylinder no more than ~ 0.2 m.

Корпус реакционной камеры 24 помещен в обойму 56, которая закреплена на платформе 52 с возможностью перемещения средством 17. Средство 54, которое также может быть расположено на платформе 52, обеспечивает возможность управляемого средством 30 (на фиг.2 не показано) вращения реакционной камеры вокруг оси цилиндрического корпуса. Обойма 56 служит также коллектором для подачи в реакционную камеру газов (носителя и/или рабочего) посредством внутренних кольцевых канавок 58 и отверстий (по крайней мере, одного) 59. Если необходимо, по крайней мере, одна канавка 58 может использоваться для охлаждения корпуса реакционной камеры водой или другим хладагентом. Для герметизации, разделения объемов канавок 58 и обеспечения скольжения цилиндрического корпуса реакционной камеры 24 в обойме 56 могут применяться скользящие уплотнения 60 (например, из графитизированного фторопласта). Зеркало 64 служит для направления лазерного луча 26b через средство формирования потока 28 рабочего газа 18 на поверхность обрабатываемого объекта 14 для образования лазерной плазмы 16. При необходимости разделить потоки газа-носителя и рабочего газа последний может подаваться средством 62 из кольцевой канавки 58 в обойме 56 в аналогичную канавку 58 и через отверстия 59 в средстве формирования потока 28. Аналогичным образом может быть обеспечено охлаждение средства 28. С целью поддержания близкого к постоянному, малого (~0,1-0,3 мм) зазора между обрабатываемой поверхностью объекта 14 и торцом 65 средства 28, обращенным к обрабатываемой поверхности, средство 28 может скользить в осевом направлении в корпусе реакционной камеры 24. Для стабилизации зазора применяется пружина 66, которая компенсирует векторную сумму центробежной силы и силы, возникающей за счет разницы давлений в камере 24 и в зазоре с учетом эффекта Бернулли. Конструкция элемента 46 реакционной камеры должна обеспечивать малый зазор с поверхностью обрабатываемого объекта 14, чтобы поток отработанного газа 48 препятствовал поступлению атмосферного воздуха в зону модификации поверхности 12.The body of the reaction chamber 24 is placed in a ferrule 56, which is mounted on the platform 52 with the ability to move the means 17. The means 54, which can also be located on the platform 52, allows the means controlled 30 (not shown in FIG. 2) to rotate the reaction chamber around the axis cylindrical body. The holder 56 also serves as a collector for supplying gases (carrier and / or working) to the reaction chamber through the inner annular grooves 58 and holes (at least one) 59. If necessary, at least one groove 58 can be used to cool the reaction vessel chambers with water or other refrigerant. To seal, separate the volumes of the grooves 58 and to ensure the sliding of the cylindrical body of the reaction chamber 24 in the holder 56, sliding seals 60 (for example, of graphitized fluoroplastic) can be used. The mirror 64 is used to direct the laser beam 26b through the means of forming a stream 28 of the working gas 18 to the surface of the processed object 14 to form a laser plasma 16. If necessary, to separate the flows of carrier gas and working gas, the latter can be supplied by means 62 from the annular groove 58 in the clip 56 in a similar groove 58 and through the openings 59 in the flow forming means 28. In a similar way, cooling of the means 28 can be ensured. In order to maintain a close to constant, small (~ 0.1-0.3 mm) clearance between the machining the surface of the object 14 and the end face 65 of the tool 28 facing the surface to be treated, the tool 28 can axially slide in the housing of the reaction chamber 24. To stabilize the gap, a spring 66 is used, which compensates for the vector sum of the centrifugal force and the force arising from the pressure difference in chamber 24 and in the gap, taking into account the Bernoulli effect. The design of the element 46 of the reaction chamber should provide a small gap with the surface of the treated object 14, so that the flow of exhaust gas 48 prevents the flow of atmospheric air into the zone of surface modification 12.

Позиционирование и относительное перемещение области воздействия потока лазерной плазмы и поверхности объекта 14 может осуществляться как перемещением обрабатываемого объекта, так и перемещением реакционной камеры или комбинацией названных перемещений.The positioning and relative movement of the area of influence of the laser plasma flow and the surface of the object 14 can be carried out both by moving the processed object, and by moving the reaction chamber or a combination of these movements.

Описанные способ и устройство позволяют осуществлять азотирование, цементацию поверхностей деталей, выполненных из чугунов и сталей, легирование чистыми металлами или сплавами с формированием пересыщенных твердых растворов и образованием интерметаллидов, легирование карбидами тугоплавких металлов (TiC, VC, TaC, WC и др.).The described method and device allow nitriding, cementing of surfaces of parts made of cast iron and steel, alloying with pure metals or alloys with the formation of supersaturated solid solutions and the formation of intermetallic compounds, alloying with carbides of refractory metals (TiC, VC, TaC, WC, etc.).

Claims (10)

1. Способ модификации поверхности объекта, выполненного из металла или сплава, включающий воздействие на модифицируемую поверхность лазерным излучением, отличающийся тем, что формируют поток рабочего газа, содержащего несущий газ, а также химически активные реагенты и/или легирующие добавки, и направляют упомянутый поток рабочего газа на модифицируемую поверхность, при этом на названную модифицируемую поверхность воздействуют лазерным импульсно-периодическим излучением с образованием на названной модифицируемой поверхности и/или в ее приповерхностной области лазерной плазмы.1. A method of modifying the surface of an object made of metal or alloy, comprising exposing the surface to be modified by laser radiation, characterized in that a flow of a working gas containing a carrier gas is formed, as well as chemically active reagents and / or alloying additives, and the said working stream is directed gas on the surface to be modified, wherein the said surface to be modified is affected by laser pulse-periodic radiation with the formation on the named surface to be modified and / or e the surface region of the laser plasma. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток рабочего газа формируют с давлением не ниже 0,5 атм.2. The method according to claim 1, characterized in that the working gas stream is formed with a pressure of at least 0.5 atm. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие лазерным излучением осуществляют многократно.3. The method according to claim 1, characterized in that the exposure to laser radiation is carried out repeatedly. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве несущего газа используют инертный газ или смесь инертных газов.4. The method according to claim 1, characterized in that inert gas or a mixture of inert gases is used as a carrier gas. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве несущего газа используют химически активный газ или смесь химически активных газов.5. The method according to claim 1, characterized in that a chemically active gas or a mixture of reactive gases is used as a carrier gas. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что модифицируемую поверхность перемещают.6. The method according to claim 1, characterized in that the surface to be modified is moved. 7. Устройство для модификации металлической поверхности объекта, содержащее реакционную камеру, снабженную средством позиционирования обрабатываемого объекта, входом для потока рабочего газа и входом для лазерного излучения, источник рабочего газа, средство формирования потока рабочего газа в реакционной камере, импульсно-периодический лазер и средство доставки лазерного излучения в реакционную камеру и фокусировки луча, выполненное с возможностью направления лазерного луча на модифицируемую поверхность объекта.7. A device for modifying the metal surface of an object, comprising a reaction chamber equipped with positioning tool for the object to be treated, an input for a working gas stream and an input for laser radiation, a working gas source, means for generating a working gas stream in the reaction chamber, a periodic pulsed laser, and a delivery means laser radiation into the reaction chamber and focusing the beam, made with the possibility of directing the laser beam on the modified surface of the object. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что оно содержит средство управления в виде управляющего процессора.8. The device according to claim 7, characterized in that it comprises control means in the form of a control processor. 9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что средство позиционирования обрабатываемого объекта выполнено с возможностью его перемещения.9. The device according to claim 7, characterized in that the positioning means of the processed object is arranged to move it. 10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что средство доставки лазерного излучения в реакционную камеру и фокусировки луча выполнено таким образом, что лазерный луч воздействует на модифицируемую поверхность. 10. The device according to claim 8, characterized in that the means for delivering laser radiation to the reaction chamber and focusing the beam is made in such a way that the laser beam acts on the surface to be modified.
RU2009115826/02A 2009-04-28 2009-04-28 Procedure for modification of metal surfaces and device RU2425907C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009115826/02A RU2425907C2 (en) 2009-04-28 2009-04-28 Procedure for modification of metal surfaces and device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009115826/02A RU2425907C2 (en) 2009-04-28 2009-04-28 Procedure for modification of metal surfaces and device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009115826A RU2009115826A (en) 2010-11-10
RU2425907C2 true RU2425907C2 (en) 2011-08-10

Family

ID=44025553

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009115826/02A RU2425907C2 (en) 2009-04-28 2009-04-28 Procedure for modification of metal surfaces and device

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2425907C2 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2502153C2 (en) * 2011-08-22 2013-12-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method to modify surfaces of metals or heterogeneous structures of semiconductors
RU2570599C1 (en) * 2014-07-01 2015-12-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный минерально-сырьевой университет "Горный" Method of production of surface-nanostructured metal
WO2017171590A3 (en) * 2016-03-29 2017-12-14 Общество С Ограниченной Ответственностью "Оптогард Нанотех" Device for the laser-plasma synthesis of very hard microstructured and nanostructured coatings
RU2764777C1 (en) * 2021-01-26 2022-01-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук (ИЭЭ РАН) Method for treating the surface of a non-ferrous metal by forming a microrelief
RU2812452C2 (en) * 2022-06-19 2024-01-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук Multifunctional laser-plasma technological complex

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ГРИГОРЯНЦ А.Г. и др. Технологические процессы лазерной обработки. - М.: изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2006, с.609-614. *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2502153C2 (en) * 2011-08-22 2013-12-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method to modify surfaces of metals or heterogeneous structures of semiconductors
RU2570599C1 (en) * 2014-07-01 2015-12-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный минерально-сырьевой университет "Горный" Method of production of surface-nanostructured metal
WO2017171590A3 (en) * 2016-03-29 2017-12-14 Общество С Ограниченной Ответственностью "Оптогард Нанотех" Device for the laser-plasma synthesis of very hard microstructured and nanostructured coatings
RU2638610C2 (en) * 2016-03-29 2017-12-14 Общество с ограниченной ответственностью "Оптогард Нанотех" (ООО "Оптогард Нанотех)" Device for laser-plasma synthesis of high-solid micro- and nanostructured coatings
RU2764777C1 (en) * 2021-01-26 2022-01-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук (ИЭЭ РАН) Method for treating the surface of a non-ferrous metal by forming a microrelief
RU2812452C2 (en) * 2022-06-19 2024-01-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук Multifunctional laser-plasma technological complex
RU2819010C1 (en) * 2023-04-25 2024-05-08 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук Method of alloying surface of articles made from titanium or alloys on its basis with formation of boride components of chromium and titanium by laser processing
RU2819042C1 (en) * 2023-05-17 2024-05-13 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук Method of forming titanium borides in alloyed layer during laser treatment of surface of articles made from titanium or alloys based thereon
RU2819007C1 (en) * 2023-07-10 2024-05-08 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук Method of forming boride components of titanium on surface of articles from iron-carbon alloys during laser processing

Also Published As

Publication number Publication date
RU2009115826A (en) 2010-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2425907C2 (en) Procedure for modification of metal surfaces and device
JP5452649B2 (en) How to remove deposits
KR930010259B1 (en) Wear resistant ceramic or metallic carbide surfaces for rotary labyrinth seal members
JP5161445B2 (en) Thermoforming system and active cooling process
US8802199B2 (en) Method for microstructure control of ceramic thermal spray coating
RU2416673C2 (en) Laser-plasma procedure of synthesis of very hard micro- and nano-structured coatings and device
EP1651790B1 (en) Method of shielding effluents in spray devices
KR20010032421A (en) Rapid thermal processing (rtp) system with gas driven rotating substrate
WO2009125284A1 (en) Laser-plasma method and system for surface modification
RU2619692C1 (en) Method of laser cleaning metals
JPH01268817A (en) Heat treatment of metal or alloy in hot plasma flame
Jong-Do et al. Laser transformation hardening on rod-shaped carbon steel by Gaussian beam
JP5659343B2 (en) Pulse detonation spraying apparatus and spraying method
Folkes Surface modification and coating with lasers
Ando et al. Improvement of wear resistance of steels by nitriding using supersonic expanding nitrogen plasma jets
RU2812452C2 (en) Multifunctional laser-plasma technological complex
RU2002339C1 (en) Process of plasma treatment of surface of solid with of gaseous heat transfer agent
JP4038196B2 (en) Clean atmosphere heat treatment method and heat treatment apparatus for coated turbine components
Pant et al. Enhanced droplet erosion resistance of laser treated nano structured TWAS and plasma ion nitro-carburized coatings for high rating steam turbine components
EP3154714A2 (en) Coating and surface repair method
RU2652280C2 (en) Method for restoring the turbomachine part
JPH11350107A (en) Method for forming high-temperature wear-resistant film
US20230295793A1 (en) Apparatus and method for coating substrate
RU2277137C1 (en) Focused vapor deposition
RU2638610C2 (en) Device for laser-plasma synthesis of high-solid micro- and nanostructured coatings

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20140822

PD4A Correction of name of patent owner
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210528

Effective date: 20210528