RU2652327C1 - Способ лазерного паротермического оксидирования металлических поверхностей и устройство для его осуществления (варианты) - Google Patents
Способ лазерного паротермического оксидирования металлических поверхностей и устройство для его осуществления (варианты) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2652327C1 RU2652327C1 RU2016141294A RU2016141294A RU2652327C1 RU 2652327 C1 RU2652327 C1 RU 2652327C1 RU 2016141294 A RU2016141294 A RU 2016141294A RU 2016141294 A RU2016141294 A RU 2016141294A RU 2652327 C1 RU2652327 C1 RU 2652327C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- laser radiation
- laser
- layer
- radiation
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 50
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 title claims abstract description 31
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 title claims abstract description 31
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 15
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 15
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 83
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 68
- 230000035515 penetration Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 3
- 230000004807 localization Effects 0.000 claims 1
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 15
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 8
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract description 8
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 abstract description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract description 4
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 6
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 5
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical group [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910001339 C alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 2
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 2
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- QMQXDJATSGGYDR-UHFFFAOYSA-N methylidyneiron Chemical compound [C].[Fe] QMQXDJATSGGYDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N perchloric acid Chemical compound OCl(=O)(=O)=O VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 description 1
- VSOYJNRFGMJBAV-UHFFFAOYSA-N N.[Mo+4] Chemical compound N.[Mo+4] VSOYJNRFGMJBAV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000010953 base metal Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N iron(II,III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]O[Fe]=O SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
- NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N ytterbium Chemical compound [Yb] NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
- C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
- C23C8/10—Oxidising
- C23C8/16—Oxidising using oxygen-containing compounds, e.g. water, carbon dioxide
- C23C8/18—Oxidising of ferrous surfaces
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
- B23K26/146—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing a liquid
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Radiation-Therapy Devices (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способу и устройству (варианты) для паротермического оксидирования поверхностей деталей, изготовленных из металлов и сплавов. Покрывают изделие с подлежащей оксидированию поверхностью слоем воды заданной толщины. Воздействуют на покрытую водой поверхность лазерным излучением, имеющим длину волны, для которой вода является относительно прозрачной средой. Энергию и плотность потока энергии лазерного излучения и время облучения им поверхности выбирают так, чтобы обеспечить проникновение лазерного излучения сквозь слой воды и нагрев поверхности до по меньшей мере температуры, создающей фазовый переход воды в пар. Технический результат заключается в повышении износостойкости, коррозионной стойкости, диэлектрических, теплозащитных и декоративных характеристик различных изделий , в повышении скорости процесса окисления без достижения основной массой детали критических значений температуры, расширении спектра металлов и сплавов, допустимых для данного вида обработки, а также в повышении технологичности процесса оксидирования, включая возможность локальной обработки только рабочего участка детали, за счет исключения потребности в специализированной камере и фазе охлаждения детали. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 пр.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к технологии паротермического оксидирования поверхностей деталей, изготовленных из металлов и сплавов, и может использоваться в машиностроительной, приборостроительной, аэрокосмической, электронной, химической, нефтегазовой, автомобильной, инструментальной, медицинской и других отраслях промышленности для повышения износостойкости, коррозионной стойкости, диэлектрических, теплозащитных и декоративных характеристик различных изделий.
Уровень техники
Сущность различных методов оксидирования заключается в создании на поверхности металлов слоя окислов, которые значительно улучшают эксплуатационные характеристики основного металла.
Известен способ паротермического оксидирования изделий, в котором окисление идет в атмосфере пара при непрерывном ее нагреве до заданной температуры и выдержке металлоизделий при этой температуре в течение определенного времени. При таких условиях на поверхности детали формируется оксидное покрытие, физико-химические характеристики которого зависят от температуры и продолжительности обработки, а также от скорости движения и давления газовой среды в рабочем объеме. В этом способе оксидирование изделий из железоуглеродистых сплавов проводится в токе перегретого водяного пара при температуре 400-900°С в течение 10-90 мин (и более) при нормальном или повышенном давлении.
(Гладкова Е.Н. Теоретические основы и технология паротермического оксидирования. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1973. 99 с.)
Известен также способ оксидирования сталей по патенту РФ 2049148 (опубл. 27.11.1995) в среде водяного пара при давлении около 10 МПа и температуре 540°С, позволяющий восстанавливать пленку магнетита на стальных поверхностях.
Известен способ оксидирования железоуглеродистых сплавов по патенту РФ 2110603 (опубл. 10.05.1998). Он выполняется в печной атмосфере водяного пара с контролируемым содержанием сжатого воздуха и более высоких температурах (600-900)°С.
Однако необходимость поддержания высокого давления пара или воздуха во всех указанных аналогах сильно ограничивает возможности применения этих способов.
Кроме того, для снижения времени обработки в поток пара добавляют пары хлорной кислоты (авторское свидетельство СССР №498363, опубл. 05.01.1976) или молибденовокислого аммония (авторское свидетельство СССР №659643, опубл. 30.04.1979). Добавка агрессивных компонентов в рабочую среду не уменьшает существенным образом время необходимое для обработки, но в то же время является фактором, усложняющим технологический процесс.
Сходные способы и соответствующие устройства известны также из патента РФ №2189400 (опубл. 20.09.2002) и патента РФ №2456370 (опубл. 20.07.2012).
Общим недостатком приведенных выше известных способов и устройств оксидирования является необходимость подвергать деталь длительному термическому воздействию, что для многих изделий является недопустимым с точки зрения сохранения их физико-технических характеристик. Температурные нагрузки могут привести к возникновению термонапряжений и деформации чувствительных к колебаниям температуры изделий. Кроме того, приведенные способы не применимы для изделий из металлов и сплавов с низкой температурой плавления, например для алюминия и его сплавов. Поэтому паротермическое оксидирование в основном применяется для обработки изделий из стали и титановых сплавов. Но и в этих случаях температура обработки ограничена температурой фазовых превращений в материале изделия, которая, в свою очередь, определяется составом стали или сплава.
К другим недостаткам известных способов и устройств следует отнести невозможность локальной обработки изделия и технологическую сложность проведения процесса, связанную с применением герметичных камер, где необходимо поддержание высоких значений температуры, а в некоторых случаях и давления. В известных способах также присутствует длительная фаза охлаждения детали.
Раскрытие изобретения
Таким образом, существует потребность в таком способе паротермического оксидирования, который обеспечивал бы повышение скорости процесса окисления без достижения основной массой детали критических значений температуры, расширение спектра металлов и сплавов, допустимых для данного вида обработки, а также повышение технологичности процесса оксидирования в целом, включая возможность локальной обработки только рабочего участка детали, за счет исключения потребности в специализированной камере и фазе охлаждения детали.
Для решения данной задачи с достижением указанного технического результата в первом объекте по настоящему изобретению предложен способ лазерного паротермического оксидирования металлических поверхностей, заключающийся в том, что: покрывают изделие с подлежащей оксидированию поверхностью слоем воды заданной толщины; воздействуют в процессе сканирования на покрытую водой поверхность лазерным излучением, имеющим длину волны, для которой вода является относительно прозрачной средой; при этом энергию и плотность потока энергии лазерного излучения и время облучения им поверхности выбирают так, чтобы обеспечить проникновение лазерного излучения сквозь слой воды и нагрев поверхности до по меньшей мере температуры, создающей фазовый переход воды в пар.
Особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что поверхность могут сканировать лазерным излучением.
Другая особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что покрытие поверхности слоем воды могут осуществлять путем погружения изделия в резервуар с проточной водой, чтобы слой воды над поверхностью равнялся заданной толщине.
Еще одна особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что покрытие поверхности слоем воды могут осуществлять путем подачи потока воды заданной толщины на поверхность.
Для решения той же задачи с достижением того же технического результата во втором объекте по настоящему изобретению предложено устройство для реализации способа по первому объекту изобретения, содержащее: средство закрепления изделия с подлежащей оксидированию поверхностью; средство перемещения, выполненное с возможностью относительного перемещения источника лазерного излучения и средства закрепления изделия по меньшей мере в горизонтальной плоскости; резервуар с проточной водой, предназначенный для погружения в него изделия, закрепленного в средстве закрепления, чтобы слой воды над поверхностью равнялся заданной толщине; источник лазерного излучения, направленного на поверхность погруженного в воду изделия; при этом энергия и плотность потока энергии лазерного излучения и время облучения им поверхности выбраны так, чтобы обеспечить проникновение лазерного излучения сквозь слой воды и нагрев поверхности до по меньшей мере температуры, создающей фазовый переход воды в пар.
Особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что источник лазерного излучения может включать в себя лазерный генератор и блок фокусировки, предназначенный для фокусировки излучения лазерного генератора на поверхности изделия, погруженного в резервуар.
Другая особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что лазерный генератор может быть выполнен с возможностью генерировать непрерывное или импульсно-периодическое излучение.
Для решения той же задачи с достижением того же технического результата в третьем объекте по настоящему изобретению предложено устройство для реализации способа по первому объекту изобретения, содержащее: средство закрепления изделия с подлежащей оксидированию поверхностью; средство перемещения, выполненное с возможностью относительного перемещения источника лазерного излучения и средства закрепления изделия по меньшей мере в горизонтальной плоскости; средство создания потока воды, предназначенное для подачи создаваемого потока воды заданной толщины на поверхность; источник лазерного излучения, направленного на поверхность; при этом плотность потока энергии лазерного излучения и время облучения им поверхности выбраны так, чтобы обеспечить проникновение лазерного излучения сквозь слой воды и нагрев поверхности до по меньшей мере температуры, создающей фазовый переход воды в пар.
Особенность устройства по третьему объекту настоящего изобретения состоит в том, что источник лазерного излучения может включать в себя лазерный генератор и блок фокусировки, предназначенный для фокусировки излучения лазерного генератора на поверхности изделия при подаче на нее слоя воды.
Другая особенность устройства по третьему объекту настоящего изобретения состоит в том, что лазерный генератор может быть выполнен с возможностью генерировать непрерывное или импульсно-периодическое излучение.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение иллюстрируется приложенными чертежами, на которых одинаковые или сходные элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.
На Фиг. 1 показана условная схема, иллюстрирующая осуществление способа по настоящему изобретению.
На Фиг. 2 показана схема устройства по первому варианту осуществления.
На Фиг. 3 показана схема устройства по второму варианту осуществления.
Подробное описание вариантов осуществления
В основе настоящего изобретения лежит разрешение следующего технического противоречия.
Установлено, что скорость паротермического окисления стали пропорциональна скорости водяного пара, а также экспоненциально возрастает с температурой (см. патент РФ №2366732, опубл. 10.09.2009). Данная зависимость представлена в виде следующей математической формулы:
где: dW/dt - скорость окисления (г-см-2 - с-1),
Е - энергия активации (Дж моль-1),
R - газовая постоянная,
Т - температура (К),
РH2O - парциальное давление водяного пара (атм.).
Таким образом, с одной стороны, для увеличения скорости окисления требуется повышение парциального давления водяного пара и его температуры - параметр, который наиболее эффективно влияет на процесс. С другой стороны, увеличение температуры влияет на изменение физических характеристик изделий. Устранение данного технического противоречия возможно за счет уменьшения времени контакта рабочей среды с поверхностью детали.
Настоящее изобретение решает данное противоречие следующим образом.
Во-первых, изделие с подлежащей оксидированию поверхностью покрывают слоем проточной воды заданной толщины.
Во-вторых, воздействуют на покрытую водой поверхность лазерным излучением, имеющим длину волны, для которой вода является относительно прозрачной средой.
При этом энергию и плотность потока энергии лазерного излучения и время облучения поверхности выбирают так, чтобы обеспечить проникновение лазерного излучения сквозь слой воды и нагрев поверхности до по меньшей мере температуры, создающей фазовый переход воды в пар.
Для обеспечения воздействия на больших участках поверхности осуществляют ее сканирование лазерным излучением.
Для непрерывного лазерного излучения время воздействия регулируется за счет скорости перемещения пучка относительно поверхности (сканирования), в случае импульсно-периодического излучения - за счет длительности импульса и частоты их следования. Оценку температурного поля обрабатываемой поверхности для непрерывного излучения T(R,x) и в случае импульсно-периодического режима T(0,t) можно произвести по следующим формулам (Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. - М.: Машиностроение, 1989 - 304 с.):
где q, qп - тепловая мощность,
υ - скорость перемещения источника тепла,
λT - коэффициент теплопроводности материала,
R - постоянный радиус-вектор,
х - координата точки в подвижной системе,
а - коэффициент температуропроводности материала,
t - время действия теплового источника.
Вследствие локальности зоны облучения в совокупности с условием сканирования достигается обработка как всей поверхности детали, так и отдельно выбранного ее участка. Сканирование поверхности может быть реализовано как за счет перемещений пучка излучения, так и перемещением детали относительно пучка.
Способ по изобретению поясняется на Фиг. 1, где приведена принципиальная схема реализации предлагаемого способа лазерного паротермического оксидирования поверхностей деталей. Лазерное изучение 1 проходит через блок 2 фокусировки (в простейшем случае это оптическая система в виде собирающей линзы) и попадает на подлежащую оксидированию поверхность обрабатываемого изделия 3, покрытого слоем воды 4. Ссылочные позиции 5 и 6 обозначают соответственно координатный стол и облако пара. Тонкие черные стрелки 7 указывают направление тока воды 4, а двунаправленные белые стрелки 8 условно показывают направления перемещения (вправо-влево и вперед-назад) координатного стола 5.
Для реализации предлагаемого способа лазерного паротермического оксидирования металлических поверхностей требуется источник лазерного излучения с длиной волны, для которой вода является относительно прозрачной средой, например 1,06 мкм. Пучок лазерного излучения 1 с заданной апертурой и энергией, проходя через блок 2 фокусировки, который в простейшем случае может состоять из собирающей линзы, направляется на участок поверхности обрабатываемого изделия 3. При этом обработка лазерным излучением 1 поверхности этого изделия ведется через слой воды заданной толщины, например, в результате погружения в резервуар с водой 4. Для обработки всей поверхности или отдельных ее участков необходимо использовать систему позиционирования детали относительно пучка излучения, например координатный стол 5.
Отметим, что энергия и плотность потока энергии лазерного излучения 1 и время облучения им обрабатываемой поверхности изделия 3 выбраны так, чтобы обеспечить проникновение лазерного излучения 1 сквозь слой воды 4 и нагрев поверхности изделия 3 до по меньшей мере температуры, создающей фазовый переход воды в пар.
Предпочтительно в результате поглощения лазерного излучения 1 поверхностью изделия 3 ее участок, локализованный размером падающего пучка лазерного излучения 1, разогревается до температуры, существенно превышающей 100°С (вплоть до температуры плавления материала этого изделия). Вода 4 в объеме слоя, непосредственно прилегающего к нагретой поверхности, мгновенно переходит в газообразное состояние. Как следствие, в зоне падения пучка лазерного излучения 1 образуется облако 6 перегретого пара, локализованное слоем воды 4 и обрабатываемой поверхностью. В процессе распространения облака 6 пара протекает процесс окисления материала поверхностного слоя. Весь технологический процесс обработки осуществляется сканированием пучком лазерного излучения 1 всей поверхности изделия или отдельно выбранного участка, при этом облако 6 пара безотрывно следует за зоной с высокой температурой, в случае работы лазера в непрерывном режиме. Задавая скорость перемещения пучка лазерного излучения 1 относительно поверхности обрабатываемого изделия, можно регулировать глубину проникновения теплового потока, обеспечивая температурный режим обработки изделия в соответствии с требованиями технического задания. Кроме того, необходимый температурный режим поддерживается за счет отвода тепла при обтекании изделия потоком 7 воды.
При паротермическом оксидировании поверхности изделия с применением лазера, работающего в импульсно-периодическом режиме, глубина проникновения теплового потока (И) регулируется посредством выбора длительности импульсов излучения (τи):
где а - коэффициент температуропроводности (Рыкалин Н.Н. и др. Лазерная и электроннолучевая обработка материалов. Справочник. - М.: Машиностроение, 1985 - 496 с.). При этом в случае коротких импульсов (при большой мощности) скорость распространения парового облака может иметь значение, превышающее скорость звука.
Температура поверхности изделия в зоне облучения задается выбором мощности (энергии) пучка лазерного излучения 1, изменением диаметра лазерного пучка на поверхности изделия с помощью блока 2 фокусировки (оптической системы), т.е. изменением плотности потока энергии лазерного излучения 1, а также перемещением пучка лазерного излучения 1 относительно поверхности.
Следует отметить, что процесс обтекания потоком воды 4 поверхности изделия в обоих случаях (непрерывного и импульсного режимов излучения) является дополнительным фактором термостабилизации обрабатываемого изделия 3.
Конкретные устройства для реализации способа лазерного паротермического оксидирования металлических поверхностей по настоящему изобретению показаны на Фиг. 2 и 3.
На Фиг. 2 показана схема устройства, предназначенная для реализации рассмотренного способа, в соответствии с первым вариантом осуществления. Это устройство содержит источник 11 лазерного излучения, формирующий лазерное излучение 1, которое фокусируется в блоке 2 фокусировки. На Фиг. 2 (и Фиг. 3) блок 2 фокусировки содержит поворотное зеркало 12, предназначенное для отклонения лазерного излучения 1 в нужном направлении, и собирающую линзу 13, обеспечивающую фокусировку пучка лазерного излучения 1 на поверхности обрабатываемого изделия 3. Последнее закреплено в средстве 14 закрепления, выполнение которого может быть любым - как известным специалистам, так и разработанным в будущем. Основная функция средства 14 закрепления состоит в фиксации изделия 3 на время его обработки лазерным излучением 1. Средство 14 закрепления установлено в средстве 15 перемещения, которое обеспечивает перемещение закрепленного изделия 3 по трем координатным осям, что условно показано двунаправленными белыми стрелками. Средство 15 перемещения может быть любым - как известным специалистам, так и разработанным в будущем; к примеру, это может быть координатный стол с установленным на нем подъемником, на котором (под которым по Фиг. 2) размещено средство 14 закрепления. Средство 14 закрепления с обрабатываемым изделием 3 погружены в резервуар 16 с водой 4 таким образом, чтобы над обрабатываемой поверхностью изделия 3 был слой воды заданной толщины. Как и на Фиг. 1, на Фиг. 2 тонкие черные стрелки 7 указывают направление тока воды 4, а ссылочная позиция 6 обозначает облако перегретого пара.
На Фиг. 3 показана схема устройства, предназначенная для реализации рассмотренного способа в соответствии со вторым вариантом осуществления. Это устройство также содержит источник 11 лазерного излучения, формирующий лазерное излучение 1, которое фокусируется в блоке 2 фокусировки, аналогичном такому же блоку на Фиг. 2. Как и на Фиг. 2, на Фиг. 3 изделие 3 закреплено в средстве 14 закрепления, которое установлено в средстве 15 перемещения. Средство 14 закрепления и средство 15 перемещения на Фиг. 3 могут быть аналогичны таким же средствам на Фиг. 2 либо отличаться от них. В отличие от устройства по Фиг. 2 средство 14 закрепления с обрабатываемым изделием 3 в устройстве по Фиг. 3 не погружены в резервуар 16 с водой 4, а помещены над ним. Как и на Фиг. 1, ссылочная позиция 6 обозначает облако перегретого пара, которое образуется за счет того, что на обрабатываемую поверхность изделия 3 подается поток воды из средства 17 создания потока воды, которое может, к примеру, содержать насос 18 и направляющее сопло 19, обеспечивающие подачу воды 4 из резервуара 16 на обрабатываемое изделие 3, причем создаваемый поток воды имеет заданную толщину, а резервуар 16 при этом выполняет роль сборника отработанной воды 4.
Ниже даны примеры обработки различных поверхностей в соответствии со способом по настоящему изобретению.
Пример 1. Образцы из сплава титана ВТ6 обрабатывались непрерывным лазерным излучением от твердотельного YAG:Nd-лазера (ЛТН-103) с длиной волны 1,06 мкм и мощностью 100 Вт. Скорость сканирования поверхности образца составляла 5 мм/сек. Рентгенофазовый анализ показал, что состав оксидной пленки представлен соединениями TiO, ТiO2, и Ti3O5.
Пример 2. Образец стали (Ст. 3) обрабатывался непрерывным лазерным излучением под слоем воды. Обработка осуществлялась излучением с длиной волны 1,07 мкм и мощностью 100 Вт от волоконного иттербиевого лазера ИЛМ-100. Скорость сканирования составляла 10 мм/сек. Согласно рентгеновскому анализу основной фазой полученной пленки является оксид двухвалентного железа - FeO.
Пример 3. Образец из сплава титана ВТ6 обрабатывался под слоем воды лазерным излучением в импульсно-периодическом режиме импульсами излучения с длиной волны 1,06 мкм твердотельного YAG:Nd-лазeра LSP 2500 с энергией в импульсе ~1 Дж и длительностью 10 нс. Обработка проводилась с перекрытием зон облучения с шагом 0,5d (d - диаметр пятна излучения на поверхности). Согласно рентгеновскому анализу основной фазой полученной пленки является TiO.
Таким образом, способ паротермического оксидирования по настоящему изобретению и реализующие его варианты устройства обеспечивают:
- повышение скорости процесса окисления без достижения основной массой детали критических значений температуры,
- расширение спектра металлов и сплавов, допустимых для данного вида обработки,
- повышение технологичности процесса оксидирования в целом, включая возможность локальной обработки только рабочего участка детали, за счет исключения потребности в специализированной камере и фазе охлаждения детали.
Claims (20)
1. Способ паротермического оксидирования металлических поверхностей, заключающийся в том, что покрывают изделие с подлежащей оксидированию поверхностью слоем воды и воздействуют на покрытую водой поверхность лазерным излучением с длиной волны, для которой вода является относительно прозрачной средой, при этом задают плотность потока энергии упомянутого лазерного излучения и время облучения им упомянутой поверхности из условия обеспечения проникновения упомянутого лазерного излучения сквозь упомянутый слой воды и нагрева упомянутой поверхности до по меньшей мере температуры фазового перехода воды в пар, причем толщину упомянутого слоя воды выбирают достаточной для локализации образующегося над упомянутой поверхностью облака пара упомянутым слоем воды.
2. Способ по п. 1, в котором упомянутую поверхность сканируют упомянутым лазерным излучением.
3. Способ по п. 2, в котором упомянутое покрытие поверхности слоем воды осуществляют путем погружения упомянутого изделия в резервуар с проточной водой, чтобы слой упомянутой воды над упомянутой поверхностью равнялся упомянутой заданной толщине.
4. Способ по п. 2, в котором упомянутое покрытие поверхности слоем воды осуществляют путем подачи на упомянутую поверхность потока воды с расходом, обеспечивающим упомянутую заданную толщину.
5. Устройство для паротермического оксидирования металлических поверхностей способом по п. 3, содержащее:
- средство закрепления изделия с подлежащей оксидированию поверхностью;
- резервуар с проточной водой, предназначенный для погружения в него упомянутого изделия, закрепленного в упомянутом средстве закрепления;
- источник лазерного излучения, направленного на упомянутую поверхность погруженного в воду изделия;
- средство перемещения, выполненное с возможностью относительного перемещения упомянутого источника лазерного излучения и упомянутого средства закрепления изделия, по меньшей мере, в горизонтальной плоскости;
- при этом упомянутый источник лазерного излучения выполнен с возможностью задавать плотность потока энергии лазерного излучения и время облучения им упомянутой поверхности так, чтобы обеспечить проникновение упомянутого лазерного излучения сквозь слой воды и нагрев упомянутой поверхности до по меньшей мере температуры, создающей фазовый переход воды в пар, а толщина упомянутого слоя воды выбрана достаточной для локализации образующегося над упомянутой поверхностью облака пара упомянутым слоем воды.
6. Устройство по п. 5, в котором упомянутый источник лазерного излучения включает в себя лазерный генератор и блок фокусировки, предназначенный для фокусировки излучения упомянутого лазерного генератора на упомянутой поверхности изделия, погруженного в упомянутый резервуар.
7. Устройство по п. 5 или 6, в котором упомянутый лазерный генератор выполнен с возможностью генерировать непрерывное или импульсно-периодическое излучение.
8. Устройство для паротермического оксидирования металлических поверхностей способом по п. 4, содержащее:
- средство закрепления изделия с подлежащей оксидированию поверхностью;
- источник лазерного излучения, направленного на упомянутую поверхность;
- средство перемещения, выполненное с возможностью относительного перемещения упомянутого источника лазерного излучения и упомянутого средства закрепления изделия, по меньшей мере, в горизонтальной плоскости;
- средство создания потока воды, предназначенное для подачи создаваемого потока воды на упомянутую поверхность;
- при этом упомянутый источник лазерного излучения выполнен с возможностью задавать плотность потока энергии лазерного излучения и время облучения им упомянутой поверхности так, чтобы обеспечить проникновение упомянутого лазерного излучения сквозь слой воды и нагрев упомянутой поверхности до по меньшей мере температуры, создающей фазовый переход воды в пар, а толщина упомянутого слоя воды выбрана достаточной для локализации образующегося над упомянутой поверхностью облака пара упомянутым слоем воды.
9. Устройство по п. 8, в котором упомянутый источник лазерного излучения включает в себя лазерный генератор и блок фокусировки, предназначенный для фокусировки излучения упомянутого лазерного генератора на упомянутой поверхности изделия при подаче на нее упомянутого слоя воды.
10. Устройство по п. 8 или 9, в котором упомянутый лазерный генератор выполнен с возможностью генерировать непрерывное или импульсно-периодическое излучение.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016141294A RU2652327C1 (ru) | 2016-10-20 | 2016-10-20 | Способ лазерного паротермического оксидирования металлических поверхностей и устройство для его осуществления (варианты) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016141294A RU2652327C1 (ru) | 2016-10-20 | 2016-10-20 | Способ лазерного паротермического оксидирования металлических поверхностей и устройство для его осуществления (варианты) |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2652327C1 true RU2652327C1 (ru) | 2018-04-25 |
| RU2016141294A RU2016141294A (ru) | 2018-04-26 |
| RU2016141294A3 RU2016141294A3 (ru) | 2018-04-26 |
Family
ID=62044288
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016141294A RU2652327C1 (ru) | 2016-10-20 | 2016-10-20 | Способ лазерного паротермического оксидирования металлических поверхностей и устройство для его осуществления (варианты) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2652327C1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62224627A (ja) * | 1986-03-27 | 1987-10-02 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 耐熱鋼の耐酸化処理方法 |
| CN101280449A (zh) * | 2007-04-06 | 2008-10-08 | 北京化工大学 | 一种铝合金结构粘接用混合酸阳极氧化方法 |
| RU2354758C2 (ru) * | 2007-04-04 | 2009-05-10 | Пензенская государственная технологическая академия | Способ получения покрытий |
| RU2395632C1 (ru) * | 2009-06-09 | 2010-07-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования РФ Пензенская Государственная Технологическая Академия | Способ получения покрытий |
| RU2456370C2 (ru) * | 2010-07-26 | 2012-07-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) | Способ паротермического оксидирования стальных изделий и печь для его осуществления |
-
2016
- 2016-10-20 RU RU2016141294A patent/RU2652327C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62224627A (ja) * | 1986-03-27 | 1987-10-02 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 耐熱鋼の耐酸化処理方法 |
| RU2354758C2 (ru) * | 2007-04-04 | 2009-05-10 | Пензенская государственная технологическая академия | Способ получения покрытий |
| CN101280449A (zh) * | 2007-04-06 | 2008-10-08 | 北京化工大学 | 一种铝合金结构粘接用混合酸阳极氧化方法 |
| RU2395632C1 (ru) * | 2009-06-09 | 2010-07-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования РФ Пензенская Государственная Технологическая Академия | Способ получения покрытий |
| RU2456370C2 (ru) * | 2010-07-26 | 2012-07-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) | Способ паротермического оксидирования стальных изделий и печь для его осуществления |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| М.Mosbacher, V.Dobler, P.Leiderer. Universal threhold for the steam laser cleaning of submicron spherical particles from silicon. Appl. Phys., A 70, 2000, p.669-672. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016141294A (ru) | 2018-04-26 |
| RU2016141294A3 (ru) | 2018-04-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Fabbro et al. | Physics and applications of laser-shock processing | |
| Hoppius et al. | On femtosecond laser shock peening of stainless steel AISI 316 | |
| György et al. | Single pulse Nd: YAG laser irradiation of titanium: influence of laser intensity on surface morphology | |
| Kanitz et al. | Impact of liquid environment on femtosecond laser ablation | |
| DebRoy et al. | Probing laser induced metal vaporization by gas dynamics and liquid pool transport phenomena | |
| Tsuyama et al. | Effect of laser peening with glycerol as plasma confinement layer | |
| Tsuyama et al. | Effects of laser peening parameters on plastic deformation in stainless steel | |
| Safdar et al. | An analysis of the effect of laser beam geometry on laser transformation hardening | |
| Aziz et al. | Influence of Nd-YAG laser beam on microstructure and wear characteristics of gray cast iron | |
| Xing et al. | Influence of assist gas on surface quality and microstructure development of laser metal processing | |
| Sabau et al. | Laser-interference pulse number dependence of surface chemistry and sub-surface microstructure of AA2024-T3 alloy | |
| Puoza et al. | Manufacturing of micro-textures on metals by nanosecond laser micromachining | |
| RU2652327C1 (ru) | Способ лазерного паротермического оксидирования металлических поверхностей и устройство для его осуществления (варианты) | |
| Mustafa et al. | Wavelength dependence of picosecond-pulsed laser ablation of hot-dip galvanized steel | |
| Al-Mahdy et al. | Effect of surface roughness on the surface texturing of 316 l stainless steel by nanosecond pulsed laser | |
| Chérif et al. | Performance of Laser Surface Preparation of Ti6Al4 V | |
| Jong-Do et al. | Laser transformation hardening on rod-shaped carbon steel by Gaussian beam | |
| Matějíček et al. | Laser remelting of plasma-sprayed tungsten coatings | |
| Hashida et al. | Threshold fluence for femtosecond laser nanoablation for metals | |
| Ke et al. | Effects of peak laser power on laser micro sintering of nickel powder by pulsed Nd: YAG laser | |
| Leong et al. | Threshold laser beam irradiances for melting and welding | |
| Khashan et al. | Features of spot-matrix surface hardening of low-carbon steel using pulsed laser | |
| Daniel et al. | Controlled evolution of morphology and microstructure in laser interference‐structured zirconia | |
| JP2024009485A (ja) | ステンレス鋼の耐食性向上処理方法 | |
| RU2752822C1 (ru) | Способ сварки деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе с использованием лазерного излучения |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191021 |