zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2022-88-1-I-92-97zldm-1565Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. MECHANICAL TESTING METHODSИспользование метода лазерной ударной проковки в целях увеличения усталостного ресурса металлических материаловExperimental implementation of the laser shock peening method aimed at an increase in the fatigue properties of metalsПрохоровА. Е.ProkhorovA. E.

Александр Евгеньевич Прохоров

614013, Пермь, ул. Ак. Королева, д. 1

Alexander E. Prokhorov

1, Ak. Koroleva ul., Perm, 614013

Prokhorov.a@icmm.ruВшивковА. Н.VshivkovA. N.

Алексей Николаевич Вшивков

614013, Пермь, ул. Ак. Королева, д. 1

Aleksei N. Vshivkov

1, Ak. Koroleva ul., Perm, 614013

ГачеговаЕ. А.GachegovaE. A.

Елена Алексеевна Гачегова

614013, Пермь, ул. Ак. Королева, д. 1

Elena A. Gachegova

1, Ak. Koroleva ul., Perm, 614013

ПлеховО. А.PlekhovO. A.

Олег Анатольевич Плехов

614013, Пермь, ул. Ак. Королева, д. 1

Oleg A. Plekhov

1, Ak. Koroleva ul., Perm, 614013

Институт механики сплошных сред УрО РАНРоссияInstitute of continuous media mechanics UB RASRussian Federation202218012022881(I)9297Copyright © Прохоров А.Е., Вшивков А.Н., Гачегова Е.А., Плехов О.А., 20222022Прохоров А.Е., Вшивков А.Н., Гачегова Е.А., Плехов О.А.Prokhorov A.E., Vshivkov A.N., Gachegova E.A., Plekhov O.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1565

Современные методы поверхностной обработки позволяют увеличить ресурс деталей в несколько раз путем формирования высокоамплитудных остаточных сжимающих напряжений. Цель — создание экспериментальной установки для обработки металлических деталей сложной геометрии в целях создания остаточных сжимающих напряжений в поверхностных слоях до глубины 1 мм. Исследования проводили на примере деталей из титановых сплавов. Созданная установка включает в себя твердотельный лазер с энергией импульса до 10 Дж, шестиосевой робот-манипулятор и систему для измерения остаточных напряжений методом сверления отверстий. Обработку проводили в автоматическом режиме с возможностью поточной смены образцов. Геометрию деталей и особенности обработки отрабатывали на цифровой трехмерной модели детали. Проведены испытания, которые показали зависимость величин остаточных напряжений от условий обработки деталей, а также необходимость проведения численного анализа и предварительного моделирования процесса лазерной ударной проковки. Остаточные напряжения измеряли методом сверления отверстий в образцах до и после лазерной ударной проковки при различных условиях обработки, строили профили этих напряжений по глубине. Показано, что, кроме мощности импульса, на величину и распределение остаточных напряжений существенно влияют количество повторных проходов, степень перекрытия и технология предварительной подготовки поверхности образцов. Проведенный анализ позволил подобрать оптимальный режим обработки титановых сплавов, обеспечивающий значения остаточных сжимающих напряжений до 1 ГПа.

The study is aimed at the development and implementation of an experimental setup for treating metal parts with complex geometry to induce compressive residual stresses in the surface layers. Modern methods of surface treatment demonstrated the possibility of increasing the durability of parts by several times through creation of high-amplitude residual compressive stresses. We managed to form the residual compressive stresses up to a depth of 1 mm using the titanium alloy specimens. The developed installation consists of a solid-state laser with a pulse energy of up to 10 J, a six-axis robot manipulator, and a system for measuring residual stresses by hole drilling method. The processing is realized in automatic mode with the possibility of continuous change of specimens. The geometry of parts and processing features are worked out on a digital three-dimensional model of the part. A number of tests have been carried out to reveal the dependence of the values of residual stresses on the processing conditions and demonstrate the necessity of numerical analysis and preliminary modeling of the process of laser shock peening. The distribution of residual stresses was measured by hole drilling method in the specimens before and after laser shock peening under various processing conditions, and the profiles of these stresses in depth were plotted. It is shown that along with the pulse power, the value and distribution of residual stresses are significantly affected by the number of repeated passes, the overlap degree, and the technology of preliminary preparation of the specimen surface. The analysis made it possible to choose the optimal processing mode for titanium alloys providing the values of residual compressive stresses up to 1 GPa.

лазерная ударная проковкаобработка поверхностиостаточные напряженияусталость металловдолговечностьlaser shock peeningsurface treatmentresidual stressfatigue of metalsdurabilityРабота выполнена при поддержке гранта РФФИ "Анализ структурных механизмов генерации сжимающих напряжений в процессе лазерной ударной проковки в титановом сплаве ВТ-6".ReferencesBrigger I., Shor B., Iosilevich G. Calculation of the strength of machine parts. — Moscow: Mashinostroenie, 1979. — 702 p.Brigger I., Shor B., Iosilevich G. Calculation of the strength of machine parts. — Moscow: Mashinostroenie, 1979. — 702 p.Prokhorov A., Vshivkov A., Plekhov O., Kashaev N., Fomin F., Ozerov M., Zherebtsov S. The Effect of LSP on the Structure Evolution and Self-Heating of ARMCO Iron under Cyclic Loading / Metals. 2021. Vol. 11(8). P. 1198. DOI: 10.3390/met11081198Prokhorov A., Vshivkov A., Plekhov O., Kashaev N., Fomin F., Ozerov M., Zherebtsov S. The Effect of LSP on the Structure Evolution and Self-Heating of ARMCO Iron under Cyclic Loading / Metals. 2021. Vol. 11(8). P. 1198. DOI: 10.3390/met11081198Sun R., Keller S., Zhu Y., Kashaev N., Klusemann B. Experimental-numerical study of laser-shock-peening-induced retardation of fatigue crack propagation in Ti-17 titanium alloy / International Journal of Fatigue. 2021. Vol. 145. P. 106081. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2020.106081Sun R., Keller S., Zhu Y., Kashaev N., Klusemann B. Experimental-numerical study of laser-shock-peening-induced retardation of fatigue crack propagation in Ti-17 titanium alloy / International Journal of Fatigue. 2021. Vol. 145. P. 106081. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2020.106081Askar’yan G. A. et al. Pressure on evaporation of matter in a radiation beam / Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters. 1963. Vol. 16. P. 1638 – 1644.Askar’yan G. A. et al. Pressure on evaporation of matter in a radiation beam / Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters. 1963. Vol. 16. P. 1638 – 1644.Peyre P., Fabbro R., Merrien P., Lieurade H. Laser shock processing of aluminium alloys. Application to high cycle fatigue behaviour / Materials Science and Engineering: A. 1996. Vol. 210. P. 102 – 113. DOI: 10.1016/0921-5093(95)10084-9Peyre P., Fabbro R., Merrien P., Lieurade H. Laser shock processing of aluminium alloys. Application to high cycle fatigue behaviour / Materials Science and Engineering: A. 1996. Vol. 210. P. 102 – 113. DOI: 10.1016/0921-5093(95)10084-9Fabbro R., Peyre P., Berthe L., Scherpereel X. Physics and applications of laser-shock processing / Journal of Laser Application. 1998. Vol. 10. P. 265 – 279. DOI: 10.2351/1.521861Fabbro R., Peyre P., Berthe L., Scherpereel X. Physics and applications of laser-shock processing / Journal of Laser Application. 1998. Vol. 10. P. 265 – 279. DOI: 10.2351/1.521861Berthe L., Fabbro R., Peyre P., Bartnicki E. Experimental study of the transmission of breakdown plasma generated during laser shock processing / Journal Applied Physics. 1998. Vol. 3. P. 215 – 218. DOI: 10.1051/epjap:1998222Berthe L., Fabbro R., Peyre P., Bartnicki E. Experimental study of the transmission of breakdown plasma generated during laser shock processing / Journal Applied Physics. 1998. Vol. 3. P. 215 – 218. DOI: 10.1051/epjap:1998222Brockman R., Braisted W., Olson S., Tenaglia R., Clauer A., Langer K., et al. Prediction and characterization of residual stresses from laser shock peening. / International Journal of Fatigue. 2012. Vol. 36. P. 96 – 108. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2011.08.011Brockman R., Braisted W., Olson S., Tenaglia R., Clauer A., Langer K., et al. Prediction and characterization of residual stresses from laser shock peening. / International Journal of Fatigue. 2012. Vol. 36. P. 96 – 108. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2011.08.011Keller S., Chupakhin S., Staron P., Maawad E., Kashaev N., Klusemann B. Experimental and numerical investigation of residual stresses in laser shock peened AA2198 / Journal of Materials Processing Tech. 2018 Vol. 255. P. 294 – 307. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2017.11.023Keller S., Chupakhin S., Staron P., Maawad E., Kashaev N., Klusemann B. Experimental and numerical investigation of residual stresses in laser shock peened AA2198 / Journal of Materials Processing Tech. 2018 Vol. 255. P. 294 – 307. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2017.11.023Sticchi M. et al. Review of residual stress modification techniques for extending the fatigue life of metallic aircraft components / Applied Mechanics Reviews. 2015. Vol. 67. P. 010801. DOI: 10.1115/1.4028160Sticchi M. et al. Review of residual stress modification techniques for extending the fatigue life of metallic aircraft components / Applied Mechanics Reviews. 2015. Vol. 67. P. 010801. DOI: 10.1115/1.4028160Neuman F. Momentum Transfer and Cratering Effects Produced by Giant Laser Pulses / Applied Physics Letters. 1964. Vol. 4. P. 167 – 169. DOI: 10.1063/1.1754017Neuman F. Momentum Transfer and Cratering Effects Produced by Giant Laser Pulses / Applied Physics Letters. 1964. Vol. 4. P. 167 – 169. DOI: 10.1063/1.1754017Braginskiy V. B. et al. Some Mechanical Effects in the Interaction between Pulsed Electromagnetic Radiation and a Metal / Zh. Éksp. Teor. Fiz. 1967. Vol. 37. P. 1045 – 1051 [in Russian].Braginskiy V. B. et al. Some Mechanical Effects in the Interaction between Pulsed Electromagnetic Radiation and a Metal / Zh. Éksp. Teor. Fiz. 1967. Vol. 37. P. 1045 – 1051 [in Russian].Skeen C. H. et al. Laser Induced «Blow-off» Phenomena. / Applied Physics Letters. 1968. Vol. 12. P. 369 – 371.Skeen C. H. et al. Laser Induced «Blow-off» Phenomena. / Applied Physics Letters. 1968. Vol. 12. P. 369 – 371.Fabbro R., Fournier J., Ballard P., Devaux D., Virmont J. Physical study of laserproduced plasma in confined geometry / Journal of Applied Physics. 1990. Vol. 68. P. 775. DOI: 10.1063/1.34678Fabbro R., Fournier J., Ballard P., Devaux D., Virmont J. Physical study of laserproduced plasma in confined geometry / Journal of Applied Physics. 1990. Vol. 68. P. 775. DOI: 10.1063/1.34678Correa C., Ruiz de Lara L., Díaz M., Gil-Santos A., Porro J. A., and Ocaca J. L. Effect of advancing direction on fatigue life of 316L stainless steel specimens treated by double-sided laser shock peening / International Journal of Fatigue. 2015. Vol. 79. P. 1 – 9.Correa C., Ruiz de Lara L., Díaz M., Gil-Santos A., Porro J. A., and Ocaca J. L. Effect of advancing direction on fatigue life of 316L stainless steel specimens treated by double-sided laser shock peening / International Journal of Fatigue. 2015. Vol. 79. P. 1 – 9.Achintha M., Nowell D., Furfari D., Sackett E., Bache M. Fatigue behaviour of geometric features subjected to laser shock peening: Experiments and modelling / International Journal of Fatigue. 2014. Vol. 62. P. 171 – 179.Achintha M., Nowell D., Furfari D., Sackett E., Bache M. Fatigue behaviour of geometric features subjected to laser shock peening: Experiments and modelling / International Journal of Fatigue. 2014. Vol. 62. P. 171 – 179.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.