Использование метода лазерной ударной проковки в целях увеличения усталостного ресурса металлических материалов

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.

1. Brigger I., Shor B., Iosilevich G. Calculation of the strength of machine parts. — Moscow: Mashinostroenie, 1979. — 702 p.

2. 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/met11081198

3. Sun 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.2020.106081

4. 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.

5. 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)10084-9

6. Fabbro 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: 10.2351/1.521861

7. Berthe 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:1998222

8. Brockman 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.2011.08.011

9. Keller 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.2017.11.023

10. Sticchi 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: 10.1115/1.4028160

11. Neuman F. Momentum Transfer and Cratering Effects Produced by Giant Laser Pulses / Applied Physics Letters. 1964. Vol. 4. P. 167 – 169. DOI: 10.1063/1.1754017

12. 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].

13. Skeen C. H. et al. Laser Induced «Blow-off» Phenomena. / Applied Physics Letters. 1968. Vol. 12. P. 369 – 371.

14. 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: 10.1063/1.34678

15. 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.

16. 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.