Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Москва, Россия

И. С. Белашова, профессор кафедры технологии конструкционных материалов, докт. техн. наук

Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», Москва, Россия

Т. В. Тарасова, доцент, канд. техн. наук

Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет, Москва, Россия

Л. Г. Петрова, заведующая кафедрой технологии конструкционных материалов, докт. техн. наук, профессор

Вятский государственный университет, Киров, Россия

Е. А. Маринин, доцент кафедры информационных технологий в машиностроении, канд. техн. наук, эл. почта: e.marrini@gmail.com

Исследованы процессы лазерного упрочнения, а именно: лазерной закалки и лазерного ударного упрочнения коррозионно-стойких сталей аустенитного класса с применением лазеров последнего поколения. Развитие лазерной промышленности и появление мощных лазеров, генерирующих ультракороткие импульсы излучения, позволяет создавать на поверхности тонкий слой с мелкодисперсной кристаллической или в некоторых случаях с аморфной структурой. Технология подразумевает использование лазерного излучения наносекундной длительности со сверхвысокой плотностью мощности. Показано, что значительное упрочнение поверхности стали 12Х18Н10Т можно реализовать с использованием технологии лазерного ударного упрочнения, которая включает специальную подготовку поверхности для возбуждения ударной волны вглубь материала, что вызывает увеличение твердости материалов, не упрочняемых термической обработкой. Методика проведения лазерного шокового (ударного) упрочнения в зависимости от материала предполагает нанесение на поверхность детали непрозрачного для лазерного излучения слоя с низкой температурой испарения (черной краски, металлической фольги и др.). На непрозрачный слой наносят прозрачный из воды или гелия на водной основе. Энергия лазерного импульса поглощается непрозрачным слоем, что приводит к его нагреву, испарению и формированию высокотемпературной плазмы, ограниченной с одной стороной поверхностью материала, а с другой — прозрачным слоем, сдерживающим распространение температуры плазмы. Проведены сравнительные исследования лазерной закалки и лазерного ударного упрочнения коррозионно-стойкой аустенитной хромистой стали. Лазерная закалка не обеспечивает твердость поверхности более 300 HV. Увеличение микротвердости связано с деформационными процессами в зоне плавления, что согласуется с литературными данными. Анализ полученных результатов показывает значительное упрочнение поверхности стали 12Х18Н10Т за счет возбужденной лазером ударной волны. Ударная волна, образующаяся в лазерной плазме, создает условия для интенсивной пластической деформации, в результате которой формируется ультромелкозернистая структура с нанокристаллическими зернами. Максимальная микротвердость поверхности 405 HV_0.10 достигается при минимальной толщине гелевого слоя, равной 0,1 мм.

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № ФСФС-2024-0024).

1. Березовская В. В., Березовский А. В. Коррозионно-стойкие стали и сплавы: учебное пособие. — Екатеринбург : Издательство Уральского университета, 2019. — 244 с.
2. Лахтин Ю. М., Тарасова Т. В. Исследование поверхностного упрочнения стали аустенитного класса после термической и химико-термической обработки Структура и свойства немагнитных сталей: тезисы докладов IV Всесоюзного Совещания. - М. : ИМЕТ АН СССР, 1983.
3. Петрова Л. Г., Сергеева А. С. Достижение рационального баланса стойкости азотированной аустенитной хромоникелевой стали к износу и коррозии // Технология металлов. 2023. № 8. С. 16-24.
4. Петрова Л. Г., Белашова И. С. Оценка твердорастворного упрочнения аустенитных сплавов при легировании азотом // Вестник Московского авиационного института. 2022. Т. 29, № 1. С. 245-252.
5. Ким В. А., Башков О. В., Сатаева И. В. Локальное лазерное легирование нержавеющей стали 12Х18Н10Т // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2016. Т. 1, № 2(26). С. 64-70.
6. Ким В. А., Катунцева Н. Л. Упрочнение коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т лазерной цементацией // Упрочняющие технологии и покрытия. 2016. № 9(141). С. 3-8.
7. Тарасова Т. В. Перспективы использования лазерного излучения для повышения износостойкости коррозионностойких сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 2010. № 6. С. 54-58.
8. Tarasova T. V., Gusarov A. V., Protasov K. E., Filatova A. A. Effect of thermal fields on the structure of corrosion-resistant steels under different modes of laser treatment // Metal Science and Heat Treatment. 2017. Vol. 28, Iss. 7-8. P. 433-440.
9. Новиков И. А., Ножницкий Ю. А., Шибаев С. А. Мировой опыт в исследовании и применении технологического процесса лазерной ударной обработки металлов (обзор) // Авиационные двигатели. 2022. № 2(15). С. 59-82. DOI: 10.54349/26586061_2022_1_59
10. Kaufman J., Racek J., Cieslar M., Minárik P. et al. The effect of laser shock peening with and without protective coating on intergranular corrosion of sensitized AA5083 // Corrosion Science. 2022. Vol. 194. 109925.
11. Zou Sh., Wu J., Zhang Y., Gong Sh., Sun G. et al. Surface integrity and fatigue lives of Ti17 compressor blades subjected to laser shock peening with square spots // Surface and Coatings Technology. 2018. Vol. 347. P. 398-406.
12. Liu K. K., Hill M. R. The effects of laser peening and shot peening on fretting fatigue in Ti-6Al-4V coupons // Tribology International. 2009. Vol. 42, Iss. 9. P. 1250-1262.
13. Белашова И. С., Кузьмин С. Д., Тарасова Т. В. Упрочнение коррозионностойких сталей методом лазерной аморфизации поверхности // Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред им. А. Г. Горшкова : Материалы XVIII симпозиума. — Ярополец, 13-17 февраля 2012. Т. 1. С. 174-175.
14. Vorobyev A. Y., Guo Chunlei. Femtosecond laser structuring of titanium implants // Applied Surface Science. 2007. Vol. 253. P. 7272-7280.
15. Mazzoldi P., Della Mea G., Battaglin G., Miotello A. et al. Formation of a Noncrystalline Phase in Aluminum Irradiated with a Pulsed Ruby Laser // Physical Review Letters. 1980. Vol. 44. P. 88. DOI: 10.1103/PhysRevLett.44.88

16. Фирсов А. С., Голу С. А. Новая метастабильная фаза на основе железа, образующаяся при сверхбыстрой кристаллизации высоколегированной стали // Физика металлов и металловедение. 1988. Т. 65. № 7. С. 772-775.
17. Кашкин В. Н., Жданов Г. С., Миркин Л. И. Лазерная аморфизация металлических сплавов при лазерном воздействии // Доклады АН СССР. 1979. Т. 249. № 5. С. 1118-1120.
18. Артюшкин Н. В., Соколов В. Г. Технологические применения мощных лазеров // Лазерно-оптические системы и технологии. — Москва : НПО Астрофизика, 2009. - С. 24-32.
19. ГОСТ 5632-2014. Нержавеющие стали и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки. — Введ. 01.01.2015.
20. ГОСТ 9450-76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. — Введ. 01.01.1977.