RU2796479C1

RU2796479C1 - Device for combined surface treatment of products from metal or its alloy

Info

Publication number: RU2796479C1
Application number: RU2022116847A
Authority: RU
Inventors: Игорь Александрович Бакулин; Сергей Иванович Кузнецов; Антон Сергеевич Панин; Екатерина Юрьевна Тарасова
Filing date: 2022-06-22
Publication date: 2023-05-24

Abstract

FIELD: metal processing.

SUBSTANCE: hardening surface treatment of products made of metals or their alloys with the application of multilayer coatings, used in mechanical engineering when hardening the working surfaces of parts to increase their durability, corrosion resistance, fatigue and wear resistance, and improvement of frictional properties. The device contains a tank designed to be filled with a process liquid, one of the components of which is a substance to be deposited on the surface of the product, with the possibility of its circulation, at least one means for moving the product immersed in the tank filled with the process liquid, by at least two orthogonal coordinates in the horizontal plane, and a source of laser radiation, made with the possibility of shock pulse impact on the surface of the product under a layer of process fluid.

EFFECT: manufacturability and quality of surface treatment of products as a result of ensuring the positioning accuracy of products of any configuration during their processing, as well as increasing the thickness of the surface layer in which compressive stresses are formed.

6 cl, 2 dwg, 4 ex

Description

Изобретение относится к области упрочняющей поверхностной обработки изделий из металлов или их сплавов с нанесением покрытий и может быть использовано в машиностроении при упрочнении рабочих поверхностей деталей для повышения их долговечности, коррозионной стойкости, сопротивления усталости и износу, улучшения фрикционных свойств.The invention relates to the field of hardening surface treatment of products made of metals or their alloys with coating and can be used in mechanical engineering when hardening the working surfaces of parts to increase their durability, corrosion resistance, fatigue and wear resistance, improve frictional properties.

Известно устройство, предназначенное для реализации способа упрочняющей обработки поверхности цилиндрической детали, включающего циклическое механическое воздействие вибронакатыванием и электролитическое осаждение покрытия на поверхность детали при ее вращении, содержащее вибрирующие и натирающие элементы (см. RU 2418105 C1, МПК C25D 5/22, опубл. 10.05.2011 [1]).A device is known for implementing a method for hardening the surface treatment of a cylindrical part, including cyclic mechanical action by vibration rolling and electrolytic deposition of a coating on the surface of the part during its rotation, containing vibrating and rubbing elements (see RU 2418105 C1, IPC C25D 5/22, publ. 10.05 .2011 [1]).

К недостатку известного устройства можно отнести разделение при его применении стадий механического воздействия и электролитического осаждения в результате использования различных функциональных элементов, вследствие чего время технологического процесса возрастает, что снижает его производительность. Кроме этого, использование вибрирующих элементов ограничивает спектр деталей, для которых применим данный способ (в частности, исключает детали со сложной пространственной конфигурацией, тонкостенные детали).A disadvantage of the known device is the separation during its application of the stages of mechanical action and electrolytic deposition as a result of the use of various functional elements, as a result of which the process time increases, which reduces its productivity. In addition, the use of vibrating elements limits the range of parts for which this method is applicable (in particular, it excludes parts with a complex spatial configuration, thin-walled parts).

Использование комбинированной поверхностной обработки изделий существенно повышает производительность их изготовления, качество обрабатываемой поверхности и долговечность при эксплуатации. Одним из направлений комбинированной поверхностной обработки является совмещение технологических операций нанесения защитного покрытия на поверхность изделия и пластической деформации его поверхностного слоя.The use of combined surface treatment of products significantly increases the productivity of their manufacture, the quality of the treated surface and durability during operation. One of the directions of combined surface treatment is the combination of technological operations of applying a protective coating on the surface of the product and plastic deformation of its surface layer.

Известно устройство, предназначенное для реализации способа комбинированной обработки поверхности детали, включающего одновременное поверхностное пластическое деформирование поверхности детали и нанесение на нее электролитического покрытия, содержащее деформирующий элемент в форме шара, выполненный с возможностью подачи технологической жидкости под давлением (см. RU 2345876 С2, МПК C25D 5/22, опубл. 10.02.2009 [2]).A device is known for implementing a method for combined surface treatment of a part, including simultaneous surface plastic deformation of the surface of the part and applying an electrolytic coating to it, containing a deforming element in the form of a ball, configured to supply process fluid under pressure (see RU 2345876 C2, IPC C25D 5/22, published on February 10, 2009 [2]).

Также известно устройство, предназначенное для реализации способа комбинированной обработки поверхности детали, включающего точение и следующее за ним пластическое деформирование поверхности детали накатыванием, которые совмещают с нанесением химического или электрохимического покрытия, содержащие деформирующий элемент в форме шара (см. RU 2355826 С2, МПК C25D 5/22, опубл. 20.05.2009 [3]).Also known is a device designed to implement a method of combined surface treatment of a part, including turning and subsequent plastic deformation of the surface of the part by rolling, which are combined with the application of a chemical or electrochemical coating, containing a deforming element in the form of a ball (see RU 2355826 C2, IPC C25D 5 /22, published on May 20, 2009 [3]).

Общий недостаток известных из [2] и [3] устройств состоит в том, что с их помощью осуществляют пластическую деформацию механическим воздействием, что ограничивает область применения данных устройств. Кроме этого, в качестве основного функционального элемента в данных устройствах предусмотрена деталь вращения (шар), что снижает производительность технологического процесса ввиду малой площади контакта (практически точечной, для обеспечения необходимого уровня давления на обрабатываемую деталь).A common disadvantage of the devices known from [2] and [3] is that they are used to perform plastic deformation by mechanical action, which limits the scope of these devices. In addition, as the main functional element in these devices, a rotation part (ball) is provided, which reduces the productivity of the technological process due to the small contact area (almost a point, to ensure the required level of pressure on the workpiece).

В целом существенными недостатками востребованных устройств для реализации механических способов пластической деформации являются либо ограниченность глубины поверхностного слоя, в котором формируются остаточные сжимающие напряжения, и высокая шероховатость поверхности (см., например, ShotPeening Applications, 9th edition, Metal Improvement Company, Paramus, NJ, 2005), либо невозможность обработки деталей сложной пространственной конфигурации (см., например, Александров И.М., Миляев К.Е., Семенов С.В. «Анализ возможности применения низкопластичного выглаживания для повышения надежности лопаток ГТД», Вестник ПНИПУ, Аэрокосмическая техника. №53, 2018, стр. 86-96).On the whole, the essential disadvantages of devices in demand for the implementation of mechanical methods of plastic deformation are either the limited depth of the surface layer, in which residual compressive stresses are formed, and the high surface roughness (see, for example, ShotPeening Applications, 9th edition, Metal Improvement Company, Paramus, NJ, 2005), or the impossibility of processing parts of a complex spatial configuration (see, for example, Alexandrov I.M., Milyaev K.E., Semenov S.V. “Analysis of the possibility of using low-plastic burnishing to improve the reliability of GTE blades”, Vestnik PNRPU, Aerospace technique, No. 53, 2018, pp. 86-96).

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании устройства для комбинированной обработки поверхностей изделий из металлов или их сплавов, обеспечивающего повышение производительности их изготовления при одновременном расширении спектра обрабатываемых изделий, включая небольшие изделия, изделия малой толщины и/или со сложным профилем поверхности.The technical problem solved by the claimed invention consists in creating a device for combined surface treatment of products made of metals or their alloys, which provides an increase in the productivity of their manufacture while expanding the range of processed products, including small products, products of small thickness and / or with a complex surface profile.

При этом достигается технический результат, заключающийся в повышении технологичности и качества обработки поверхности изделий в результате обеспечения точности позиционирования изделий любой конфигурации при их обработке, а также увеличения глубины поверхностного слоя, в котором формируются остаточные сжимающие напряжения.At the same time, a technical result is achieved, which consists in improving the manufacturability and quality of surface treatment of products as a result of ensuring the accuracy of positioning products of any configuration during their processing, as well as increasing the depth of the surface layer in which residual compressive stresses are formed.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания устройства для комбинированной обработки поверхности изделия из металла или его сплава, содержащего:The technical problem is solved, and the specified technical result is achieved as a result of creating a device for combined surface treatment of a metal product or its alloy, containing:

- резервуар, предназначенный для заполнения его технологической жидкостью, одним из компонентов которой является вещество, подлежащее осаждению на поверхность изделия, с возможностью ее циркуляции,- a reservoir designed to be filled with a process liquid, one of the components of which is a substance to be deposited on the surface of the product, with the possibility of its circulation,

- по меньшей мере, одно средство для перемещения изделия, погруженного в резервуар, заполненный технологической жидкостью, по меньшей мере, по двум ортогональным координатам в горизонтальной плоскости,- at least one means for moving the product, immersed in a tank filled with process fluid, at least two orthogonal coordinates in the horizontal plane,

- источник лазерного излучения с параметрами пучка лазерного излучения, обеспечивающими формирование сжимающих напряжений в поверхностном слое изделия и одновременно вызывающими термическую диссоциацию компонентов технологической жидкости.- a source of laser radiation with the parameters of the laser beam, which ensure the formation of compressive stresses in the surface layer of the product and at the same time cause thermal dissociation of the components of the process fluid.

В одном из частных вариантов выполнения упомянутый источник лазерного излучения включает в себя лазерный генератор, предназначенный для формирования пучка лазерного излучения, и блок фокусировки, содержащий объектив, предназначенный для фокусирования пучка лазерного излучения на поверхность изделия, погруженного в резервуар, заполненный технологической жидкостью, выполненный с возможностью автоматического регулирования расстояния от фокальной плоскости объектива до обрабатываемой зоны поверхности изделия.In one of the particular embodiments, said laser radiation source includes a laser generator designed to form a laser radiation beam, and a focusing unit containing a lens designed to focus the laser radiation beam onto the surface of an article immersed in a tank filled with process liquid, made with the possibility of automatic adjustment of the distance from the focal plane of the lens to the treated area of the product surface.

В другом частном варианте выполнения устройство снабжено вспомогательным источником лазерного излучения малой мощности в совокупности с приемником его отраженного излучения, работающими в режиме «лазерного дальномера».In another particular embodiment, the device is equipped with an auxiliary source of low power laser radiation in conjunction with a receiver of its reflected radiation, operating in the "laser range finder" mode.

В еще одном частном варианте выполнения упомянутый лазерный генератор выполнен с возможностью генерировать непрерывное или импульсно-периодическое излучение.In another particular embodiment, said laser generator is configured to generate continuous or repetitively pulsed radiation.

В еще одном частном варианте выполнения упомянутые вспомогательный источник лазерного излучения и приемник его отраженного излучения включены в состав упомянутого блока фокусировки для осуществления обратной связи в его системе управления для поддержания заданного размера пятна сфокусированного пучка лазерного излучения в обрабатываемой зоне поверхности.In another particular embodiment, the mentioned auxiliary source of laser radiation and the receiver of its reflected radiation are included in the mentioned focusing unit for feedback in its control system to maintain a given spot size of the focused laser radiation beam in the treated surface area.

В еще одном частном варианте выполнения устройство снабжено системой для электролитического осаждения компонентов технологической жидкости, включающей в себя два электрода и регулируемый источник постоянного тока, к которому они подключены с возможностью коммутации, при этом один из электродов установлен с возможностью постоянного контакта с изделием, а другой выполнен в виде диска с центральным отверстием, ось симметрии которого совмещена с оптической осью упомянутого объектива, а размер обеспечивает свободный проход сфокусированного пучка лазерного излучения на поверхность изделия.In another particular embodiment, the device is equipped with a system for the electrolytic deposition of process liquid components, which includes two electrodes and a regulated DC source, to which they are connected with the possibility of switching, while one of the electrodes is installed with the possibility of constant contact with the product, and the other made in the form of a disk with a central hole, the axis of symmetry of which is aligned with the optical axis of the said lens, and the size ensures free passage of the focused laser radiation beam to the surface of the product.

Настоящее изобретение проиллюстрировано чертежами, на которых одинаковые или сходные элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.The present invention is illustrated by the drawings, in which the same or similar elements are designated by the same reference characters.

На фиг. 1 показана условная схема устройства, иллюстрирующая его реализацию в режиме химического осаждения защитного покрытия.In FIG. 1 shows a schematic diagram of the device, illustrating its implementation in the mode of chemical deposition of a protective coating.

На фиг. 2 показана условная схема устройства, иллюстрирующая его реализацию в режиме электролитического осаждения защитного покрытия.In FIG. Figure 2 shows a schematic diagram of the device, illustrating its implementation in the mode of electrolytic deposition of a protective coating.

Основным функциональным элементом заявленного устройства, показанного на фиг. 1, является источник мощного лазерного излучения, с помощью которого методом лазерного ударного воздействия (см. Бакулин И.А., Каковкина Н.Г., Кузнецов С.И. и др. «Структура и остаточные напряжения в сплаве АМгб после лазерного ударного воздействия», «Материаловедение», 2020, №4, стр. 15-21) посредством генерации коротких импульсов (в диапазоне 10-100 нс) с плотностью мощности лазерного излучения на уровне нескольких ГВт/см² осуществляют пластическую деформацию поверхностного слоя изделия 1 под слоем технологической жидкости 2, демпфирующей разлет образующейся плазмы 3.The main functional element of the claimed device shown in Fig. 1, is a source of high-power laser radiation, with the help of which the laser impact method (see Bakulin I.A., Kakovkina N.G., Kuznetsov S.I. et al. “Structure and residual stresses in the AMgb alloy after laser impact ”, “Materials Science”, 2020, No. 4, pp. 15-21) by generating short pulses (in the range of 10-100 ns) with a laser radiation power density at the level of several GW / cm ² , the surface layer of the product 1 is plastically deformed under the layer process fluid 2, which dampens the expansion of the resulting plasma 3.

Устройство, кроме этого, содержит резервуар 4, предназначенный для заполнения его технологической жидкостью 2, одним из компонентов которой является вещество, подлежащее осаждению на поверхность изделия 1, выполненный в совокупности с системой ее циркуляции (условно не показана), и, по меньшей мере, одно средство для перемещения изделия 1, погруженного в резервуар 4, заполненный технологической жидкостью 2, по меньшей мере, по двум ортогональным координатам в горизонтальной плоскости (условно не показано).The device, in addition, contains a tank 4, designed to fill it with a process fluid 2, one of the components of which is a substance to be deposited on the surface of the product 1, made in conjunction with its circulation system (conditionally not shown), and at least one means for moving the product 1, immersed in the tank 4, filled with process fluid 2, at least two orthogonal coordinates in the horizontal plane (not shown conventionally).

Может(гут) быть предусмотрено(ы) как средство(а) для перемещения резервуара 4 с изделием 1, так и средство(а) изменения положения изделия 1 во внутреннем объеме резервуара 4 (либо использованы оба решения одновременно). В частном варианте выполнения может быть обеспечено вращение изделия 1.Can(may) be provided as a means(s) for moving the tank 4 with the product 1, and means(s) for changing the position of the product 1 in the internal volume of the tank 4 (or both solutions are used simultaneously). In a particular embodiment, rotation of the product 1 can be provided.

Концентрацию компонентов технологической жидкости 2, а также толщину слоя, покрывающего изделие 1, подбирают таким образом, чтобы возможное поглощение лазерного излучения на рабочей длине волны было относительно небольшим и не являлось препятствием для лазерного ударного воздействия.The concentration of the components of the process fluid 2, as well as the thickness of the layer covering the product 1, is selected in such a way that the possible absorption of laser radiation at the operating wavelength is relatively small and is not an obstacle to laser impact.

В частном варианте выполнения, показанном на фиг. 1, источник мощного лазерного излучения включает в себя лазерный генератор 5, предназначенный для формирования пучка лазерного излучения 6, и блок фокусировки (основным функциональным элементом которого является объектив 7, например, представляющий собой положительную линзу), предназначенный для фокусирования пучка лазерного излучения 6 на поверхность изделия 1, погруженного в резервуар 4, заполненный технологической жидкостью 2 (с целью обеспечения необходимой плотности мощности лазерного излучения). Блок фокусировки выполнен с возможностью автоматического регулирования расстояния от фокальной плоскости объектива 7 до обрабатываемой зоны поверхности изделия 1, например, посредством его перемещения вращательно-резьбовым механизмом.In the particular embodiment shown in FIG. 1, the source of high-power laser radiation includes a laser generator 5 designed to form a laser beam 6, and a focusing unit (the main functional element of which is an objective 7, for example, representing a positive lens) designed to focus the laser beam 6 on the surface product 1 immersed in tank 4 filled with process liquid 2 (in order to provide the necessary laser power density). The focusing unit is configured to automatically adjust the distance from the focal plane of the lens 7 to the treated area of the surface of the product 1, for example, by moving it by a rotary-threaded mechanism.

Для реализации возможности обработки изделий со сложным профилем поверхности заявленное устройство снабжено источником лазерного излучения малой мощности (условно не показан) в совокупности с приемником его отраженного излучения 8, работающими в режиме «лазерного дальномера». В частном варианте выполнения эти функциональные элементы включены в состав блока фокусировки для осуществления обратной связи в его системе управления (основным функциональным элементом которой является блок регулировки 9) для поддержания заданного размера пятна сфокусированного пучка лазерного излучения 6 в обрабатываемой зоне поверхности изделия 1.To implement the possibility of processing products with a complex surface profile, the claimed device is equipped with a low-power laser radiation source (conditionally not shown) in conjunction with a receiver of its reflected radiation 8, operating in the "laser rangefinder" mode. In a private embodiment, these functional elements are included in the focusing unit to implement feedback in its control system (the main functional element of which is the adjustment unit 9) to maintain a given spot size of the focused laser beam 6 in the treated area of the surface of the product 1.

Заявленное устройство используют следующим образом.The claimed device is used as follows.

Изделие 1, поверхность которой подлежит обработке, погружают в резервуар 4 с циркулирующей технологической жидкостью 2. Обработку поверхности изделия 2 осуществляют посредством ее сканирования пучком лазерного излучения 6. Сканирование возможно как в режиме перекрытия зон ударного лазерного воздействия, так и в режиме соприкосновения их границ.Product 1, the surface of which is to be processed, is immersed in tank 4 with circulating process fluid 2. Surface treatment of product 2 is carried out by scanning it with laser radiation beam 6. Scanning is possible both in the mode of overlapping zones of impact laser exposure, and in the mode of contact between their boundaries.

В результате лазерного ударного воздействия в поверхностном слое изделия 1 возрастает плотность дислокаций (с возможной глубиной более 1 мм) и, соответственно, формируется зона сжимающих напряжений. Кроме этого, в процессе поглощения падающего лазерного излучения на поверхности изделия 1 образуется локальная область высокотемпературной плазмы 3, воздействие которой приводит к термической диссоциации компонентов вовлеченной массы технологической жидкости 2. В результате на обрабатываемой поверхности изделия 1 осаждаются частицы вещества, входящего в состав технологической жидкости 2.As a result of laser impact in the surface layer of the product 1, the density of dislocations increases (with a possible depth of more than 1 mm) and, accordingly, a zone of compressive stresses is formed. In addition, in the process of absorption of the incident laser radiation on the surface of the product 1, a local area of high-temperature plasma 3 is formed, the impact of which leads to thermal dissociation of the components of the involved mass of the process fluid 2. As a result, particles of the substance that is part of the process fluid 2 are deposited on the treated surface of the product 1 .

Таким образом, одновременно с возникновением пластической деформации в поверхностном слое изделия 1 на его поверхности формируется защитный слой вещества (как правило, металла), целенаправленно выбранного для осаждения применением соответствующей технологической жидкости 2, а также осуществляется легирование тонкого поверхностного слоя изделия 1 путем образования твердого раствора либо интерметаллидов, либо того и другого одновременно.Thus, simultaneously with the occurrence of plastic deformation in the surface layer of the product 1, a protective layer of a substance (usually a metal) is formed on its surface, purposefully selected for deposition using the appropriate process liquid 2, and the thin surface layer of the product 1 is alloyed by forming a solid solution or intermetallics, or both at the same time.

Режим обработки может быть, как однократным в виде параллельных треков, так и многократным с изменением направления треков при повторной обработке, например, на 90 градусов.The processing mode can be either single in the form of parallel tracks, or multiple with a change in the direction of the tracks during repeated processing, for example, by 90 degrees.

Устройство для комбинированной обработки поверхности изделия из металла или его сплава, показанное на фиг. 2, включает все функциональные элементы, описанные выше, и дополнительно снабжено системой для электролитического осаждения компонентов технологической жидкости.The device for combined surface treatment of a metal or its alloy product shown in FIG. 2 includes all the functional elements described above, and is additionally equipped with a system for electrolytic deposition of process fluid components.

Эта система включает в себя два электрода, анод 10 и катод 11, и регулируемый источник постоянного тока 12, к которому они подключены с возможностью коммутации. Катод 11 выполнен в виде диска (шайбы) с центральным отверстием, ось симметрии которого совмещена с оптической осью объектива 7. Размер отверстия обеспечивает свободный проход сфокусированного пучка лазерного излучения на поверхность изделия 1.This system includes two electrodes, an anode 10 and a cathode 11, and a regulated direct current source 12 to which they are switched connected. The cathode 11 is made in the form of a disk (washer) with a central hole, the axis of symmetry of which is aligned with the optical axis of the objective 7. The size of the hole ensures free passage of the focused laser beam to the surface of the product 1.

Анод 10 и катод 11 в процессе обработки погружены в резервуар 4, заполненный технологической жидкостью 3. Катод 11 находится в постоянном контакте с поверхностью изделия 1, а анод 10 расположен от нее на некотором расстоянии и, будучи жестко связанным с объективом 7, совершает вместе с ним все перемещения, необходимые для поддержания заданного расстояния от фокальной плоскости объектива 7 до обрабатываемой зоны поверхности изделия 1.Anode 10 and cathode 11 during processing are immersed in tank 4 filled with process liquid 3. Cathode 11 is in constant contact with the surface of product 1, and anode 10 is located at some distance from it and, being rigidly connected to lens 7, performs together with all the movements necessary to maintain a given distance from the focal plane of the lens 7 to the processed area of the surface of the product 1.

Подача на систему напряжения одновременно с лазерной обработкой приводит к повышению интенсивности осаждения на обрабатываемую поверхность металлосодержащего компонента технологической жидкости. Регулируя величину тока и время обработки, можно получать защитное покрытие необходимой толщины.Applying voltage to the system simultaneously with laser processing leads to an increase in the intensity of deposition on the treated surface of the metal-containing component of the process fluid. By adjusting the amount of current and processing time, it is possible to obtain a protective coating of the required thickness.

Доступны следующие режимы комбинированной обработки поверхностей изделий с применением схемы устройства в соответствии с настоящим изобретением:The following modes of combined surface treatment of products using the scheme of the device in accordance with the present invention are available:

- лазерная ударная обработка с одновременным термохимическим осаждением защитного покрытия;- laser shock treatment with simultaneous thermochemical deposition of a protective coating;

- лазерная ударная обработка с одновременным электролитическим осаждением защитного покрытия;- laser shock treatment with simultaneous electrolytic deposition of a protective coating;

- предварительное электролитическое осаждение защитного покрытия и последующая лазерная ударная обработка (с возможностью повторного электролитического осаждения);- preliminary electrolytic deposition of the protective coating and subsequent laser impact treatment (with the possibility of repeated electrolytic deposition);

- предварительное электролитическое осаждение защитного покрытия, его термическая обработка с плавлением и последующая лазерная ударная обработка.- preliminary electrolytic deposition of the protective coating, its heat treatment with melting and subsequent laser shock treatment.

Кроме этого, возможна предварительная очистка поверхности изделия (в рамках подготовительной операции) с помощью расфокусированного пучка непрерывного или импульсно-периодического лазерного излучения.In addition, it is possible to pre-clean the surface of the product (as part of the preparatory operation) using a defocused beam of continuous or repetitively pulsed laser radiation.

Ниже приведены примеры комбинированной обработки поверхностей изделий.Below are examples of combined surface treatment of products.

Пример 1. Обработка образца из алюминиевого сплава АМг6 методом лазерного ударного воздействия под слоем технологической жидкости твердотельным YAG:Nd-лазером LSP 2500 (длина волны λ=0,532 мкм; длительность импульса τ=10 нс; энергия в импульсе Е=0,34 Дж). Плотность потока энергии достигала 1,1 ГВт/см², а коэффициент перекрытия зон лазерного ударного воздействия составлял 0,5-0,65. Было установлено, что максимальная средняя величина наведенных остаточных сжимающих напряжений превышает 120 МПа, а глубина их проникновения составляет порядка 1500 мкм (см. Бакулин И.А., Кузнецов С.И., Панин А.С, Тарасова Е.Ю. «Лазерная ударная обработка сплава АМг6 без защитного покрытия», «Физика и химия обработки материалов», 2021, №1, стр. 31-39). При обработке образца под слоем технологической жидкости на основе 5% раствора медного купороса (CuSO₄⋅5H₂O) фиксировалось осаждение на его поверхности тонкого слоя меди (около 1 мкм). Толщина слоя технологической жидкости составляла 60 мм.Example 1. Treatment of a sample of aluminum alloy AMg6 by laser impact under a layer of process liquid with a solid-state YAG: Nd laser LSP 2500 (wavelength λ=0.532 μm; pulse duration τ=10 ns; pulse energy E=0.34 J) . The energy flux density reached 1.1 GW/cm ² , and the overlap ratio of the laser impact zones was 0.5-0.65. It was found that the maximum average value of induced residual compressive stresses exceeds 120 MPa, and their penetration depth is about 1500 μm (see Bakulin I.A., Kuznetsov S.I., Panin A.S., Tarasova E.Yu. “Laser shock treatment of the AMg6 alloy without a protective coating”, “Physics and Chemistry of Materials Processing”, 2021, No. 1, pp. 31-39). When the sample was processed under a layer of process fluid based on a 5% solution of copper sulfate (CuSO ₄ ⋅5H ₂ O), a thin layer of copper (about 1 μm) was deposited on its surface. The thickness of the process fluid layer was 60 mm.

Пример 2. При обработке образца из стали 12Х18Н10Т с использованием приведенных выше оборудования и методики на поверхности образца также осаждается тонкий слой меди, причем только в зоне лазерного ударного воздействия.Example 2. When processing a sample from steel 12Kh18N10T using the above equipment and methods, a thin layer of copper is also deposited on the surface of the sample, and only in the zone of laser impact.

Пример 3. Обработка образца из алюминиевого сплава АМг6 методом лазерного ударного воздействия под слоем технологической жидкости (на основе 5% раствора CuSO₄⋅5H₂O) твердотельным YAG:Nd-лазером LSP 2500 (длина волны λ=0,532 мкм; длительность импульса τ=10 нс; энергия в импульсе Е=0,34 Дж) в режиме электролитического осаждения. Напряжение на электродной системе (катод был выполнен в виде диска из меди) составляло U=30 В, сила тока I=1,7 А, время обработки 10 мин. На поверхности образца в зоне лазерного ударного воздействия формировался слой меди толщиной до 10 мкм. Слой наблюдался визуально и диагностировался методом рентгенофазового анализа. При этом шероховатость поверхности оставалась практически неизменной. Повторная обработка позволяла увеличивать толщину слоя.Example 3. Treatment of a sample of aluminum alloy AMg6 by laser impact under a layer of process liquid (based on 5% solution of CuSO ₄ ⋅5H ₂ O) with a solid-state YAG:Nd laser LSP 2500 (wavelength λ=0.532 μm; pulse duration τ= 10 ns; pulse energy E=0.34 J) in electrolytic deposition mode. The voltage on the electrode system (the cathode was made in the form of a disk of copper) was U=30 V, the current strength I=1.7 A, the processing time was 10 min. A copper layer up to 10 µm thick was formed on the sample surface in the laser impact zone. The layer was observed visually and diagnosed by X-ray phase analysis. At the same time, the surface roughness remained practically unchanged. Repeated processing made it possible to increase the layer thickness.

Пример 4. Обработка образца из алюминиевого сплава АМг6 методом лазерного ударного воздействия под слоем технологической жидкости твердотельным YAG:Nd-лазером LSP 2500 (длина волны λ=1,06 мкм; длительность импульса τ=10 нс; энергия в импульсе Е=0,55 Дж). Плотность мощности на поверхности образца варьировалась в пределах 1,3-5,8 ГВт/см² изменением диаметра пучка лазерного излучения. Обработка проводилась под слоем технологической жидкости толщиной 2 мм при пошаговом смещении с перекрытием зон лазерного ударного воздействия в 30-50% диаметра пучка лазерного излучения. Измеренное значение остаточных сжимающих напряжений в поверхностном слое достигало порядка 100 МПа на глубине до 1 мм.Example 4. Treatment of a sample of aluminum alloy AMg6 by laser impact under a layer of process liquid with a solid-state YAG:Nd laser LSP 2500 (wavelength λ=1.06 μm; pulse duration τ=10 ns; pulse energy E=0.55 J). The power density on the surface of the sample was varied within 1.3-5.8 GW/cm ² by changing the diameter of the laser beam. Processing was carried out under a layer of technological liquid 2 mm thick with stepwise displacement with overlapping of the zones of laser impact in 30-50% of the diameter of the laser beam. The measured value of residual compressive stresses in the surface layer reached about 100 MPa at a depth of up to 1 mm.

Claims

1. A device for combined surface treatment of a product made of a metal or its alloy, containing a reservoir designed to fill it with a process liquid, one of the components of which is a substance to be deposited on the surface of the product, with the possibility of its circulation, at least one means for moving the product , immersed in a tank filled with a process fluid, at least along two orthogonal coordinates in the horizontal plane, and a laser radiation source configured to impact the product surface under a layer of process fluid.

2. The device according to claim. 1, characterized in that the said source of laser radiation includes a laser generator designed to form a beam of laser radiation, and a focusing unit containing a lens designed to focus the laser beam on the surface of the product immersed in the tank, filled with process liquid, made with the possibility of automatic control of the distance from its focal plane to the treated area of the product surface.

3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that it is equipped with an auxiliary source of laser radiation in conjunction with a receiver of its reflected radiation, operating in the "laser rangefinder" mode.

4. The device according to claim 2, characterized in that said laser generator is configured to generate continuous or repetitively pulsed laser radiation.

5. The device according to claim 3, characterized in that the mentioned auxiliary source of laser radiation and the receiver of its reflected radiation are included in the mentioned focusing unit for feedback in its control system to maintain a given spot size of the focused laser radiation beam in the treated area of the product surface .

6. The device according to claim. 2, characterized in that it is equipped with a system for electrolytic deposition of the components of the process liquid, including two electrodes and an adjustable DC source, to which they are connected with the possibility of switching, while one of the electrodes is installed with the possibility of constant contact with the product, and the other is made in the form of a disk with a central hole, the axis of symmetry of which is aligned with the optical axis of the mentioned lens, and the size ensures free passage of the focused laser radiation beam to the surface of the product.