Экспериментальное и теоретическое исследование процесса лазерной обработки покрытия из алюминия на стальной подложке

Лазерная обработка поверхности – сложный процесс, при котором под воздействием лазера поверхность материала плавится, при этом изменяются его структура и свойства. В настоящей работе рассматривается моделирование процесса и приводятся результаты исследования влияния параметров лазерной обработки на размеры ванны расплава. Основной целью исследования является выявление зависимости глубины ванны расплава, а именно толщины слоя, в котором протекает процесс перемешивания компонентов, от параметров лазера. В результате исследования установлено, что после лазерной обработки поверхности образцов с толщиной покрытия 20, 40 и 80 мкм при скорости перемещения лазера 100 мм/с и мощности 180 Вт происходит полное перемешивание материала покрытия с материалом подложки. Также показано, что при скорости перемещения лазера 400 и 800 мм/с и мощности 180 Вт в зоне воздействия лазера не происходит перемешивания компонентов, так как энерговложения недостаточно.

1. Samant A. N., Du B., Paital S. R., Kumar S., Dahotre N. B. Pulsed laser surface treatment of magnesium alloy: Correlation between thermal model and experimental observations // Journal of Materials Processing Technology. – 2009. – V. 209. – P. 5060–5067.

2. Fribourg G., Deschamps A., Bréchet Y., Mylonas G., Labeas G., Heckenberger U., Perez M. Microstructure modifications induced by a laser surface treatment in an AA7449 aluminium alloy // Materials Science and Engineering. – 2011. – V. 528. – P. 2736–2747.

3. Chauhan A. S., Jha J. S., Telrandhe S., S. V, Gokhale A. A., Mishr S. K. Laser surface treatment of α−β titanium alloy to develop a β-rich phase with very high hardness // Journal of Materials Processing Technology. – 2021. – V. 288. – P. 116873.

4. Syed B., Maurya P, Lenka S., Padmanabham G., Shariff S. M. Analysis of high strength composite structure developed for low-carbon-low-manganese steel sheet by laser surface treatment // Optics & Laser Technology. – 2021. – V. 143. – P. 107285.

5. Makarov A. M., Gerashchenkov D. A., Kuznetsov P. A., Ryabov V. V., Vasiliev O. S. Investigation of the influence of laser treatment modes on coatings of aluminum, nickel, nickel-titanium systems // J. Phys. Conf. Ser. – 2021. – V. 1758. – P. 12024.

6. Wu Y., Lin J., Carlson B. E., Lu P., Balogh M. P., Irish N. P., Mei Y. Effect of laser ablation surface treatment on performance ofadhesive-bonded aluminum alloys // Surface and Coatings Technology. – 2016. – V. 304. – P. 340–347.

7. Dong Z., Liu Y., Wen W., Ge J., Liang J. Effect of Hatch Spacing on Melt Pool and As-built Quality During Selective Laser Melting of Stainless Steel: Modeling and Experimental Approaches // Materials. – 2019. – V. 12, N 1. – P. 50.

8. Mohanty S., Hattel J. H. Numerical model based reliability estimation of selective laser melting process // Phys. Procedia. – 2014. – V. 56. – P. 379–389.

9. Ansari M. J., Nguyen D.-S., Park H. S. Investigation of SLM Process in Terms of Temperature Distribution and Melting Pool Size: Modeling and Experimental Approaches //Materials. – 2019. – V. 12, N 8. – P. 1272.

10. Chaurasia J. K., Jinoop A. N., Paul C. P., Bindra K. S., Bontha S. Study of melt pool geometry and solidification microstructure during laser surface melting of Inconel 625 alloy // Optik. – 2021. – V. 246. – P. 167766.

11. Kuznetsov P., Shakirov I., Mozhayko A., Zhukov A., Bobyr V. Comparison of sequential and circular scanning thermal fields and their influence on microstructure of Alnico alloy produced by laser powder bed fusion // J. Phys.: Conf. Ser. – 2021. – V. 1967. – P. 012064.

12. Li C., Liu J. F., Guo Y. B. Prediction of residual stress and part distortion in selective laser melting, Procedia CIRP. – 2016. – V. 45. – P. 171–174.

13. Bonacina C., Comini G., Fassano A., Primicerio M. Numerical solutions of phase change problems // Int. J. Heat Mass Transfer. – 1973. – V. 16. – P. 1825–1832.

14. Kurzynowski T., Stopyra W., Gruber K., Ziółkowski G., Kuźnicka B., Chlebus E. Effect of Scanning and Support Strategies on RelativeDensity of SLM-ed H13 Steel in Relation to Specimen Size // Materials. – 2019. – V. 12, N 2. – P. 39.

15. Balichakra M., Bontha S., Krishna P., Balla V. K. Laser surface melting of γ-TiAl alloy: an experimental and numerical modeling study // Mater. Res. Express. – 2019. – V. 6. – P. 046543.

16. Farid N., Sharif A., Gupta P. D., O’Connor G. M. Selective laser ablation of molybdenum from aluminium in a multi-layeredthin film system // Surfaces and Interfaces. – 2021. – V. 26. – P. 101438.

17. Зубченко А. С., Колосков М. М., Каширский Ю. В. Марочник сталей и сплавов. Изд. 2-е. – М.: Машиностроение, 2003.

18. Branco D. D. C., De Vasconcelos L. S., An L., Zhao K., Cheng G. J. Ultrastrong pure aluminum structure with gradient nanocrystals via selective pulsed laser melting: Computation framework and experiments // J. Mech. Phys. Solids. – 2021. – V. 151. – P. 104391.

19. Oryshchenko A. S., Gerashchenkov D. A. Aluminum matrix functional coatings with high microhardness on the basis of Al–Sn + Al2O3 composite powders fabricated by cold gas dynamic spraying // Inorganic Materials: Applied Research. – 2016. – V. 7. – P. 863–867.

20. Gerashchenkov D. A., Farmakovskii B. V., Bobkova T. I., Klimov V. N. Features of the Formation of Wear-Resistant Coatings from Powders Prepared by a Micrometallurgical Process of HighSpeed Melt Quenching, Metallurgist. – 2017. – V. 60. – P. 1103–1112.

21. Gerashchenkov D. A., Kuznetsov P. A., Makarov A. M., Krasikov A. V., Markov M. A. Investigation of the intermetallic coating of the Ni–Fe system obtained by surface laser treatment on a steel substrate // J. Phys. Conf. Ser. – 2021. – V. 1758. – P. 12011.

22. Geraschenkov D. A., Vasiliev A. F., Farmakovsky B. V., Mashek A. Ch. Study of the flow temperature in the process of cold gas-dynamic spraying of functional coatings // Materials Science. – 2014. – N 1. – P. 87–96.

23. Кубашевски О. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа: Справочник / Под ред. Л. А. Петровой; Пер. с англ. – М.: Металлургия, 1985. – 183 с.