Технологічне забезпечення шорсткості поверхні нержавіючої сталі короткоімпульсним лазерним випромінюванням

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково- технічної задачі, пов’язаної із вирішенням проблем малопомітності виробів із нержавіючої сталі. Об’єкт дослідження – процес формування періодичних та вірогідних 3D структур при модифікації поверхні сталі лазерним випромінюванням. Предмет дослідження – закономірності формування періодичних і вірогідних 3D структур при наносекундному лазерному обробленні аустенітної хромонікелевої сталі AISI 321 та їх розсіювальна здатність. Метою дисертаційної роботи є технологічне забезпечення шорсткості поверхні аустенітної хромонікелевої сталі AISI 321 шляхом її модифікації для забезпечення світловідбивальних характеристик на основі створення 3D вірогідних та періодичних мікро- і наноструктур короткоімпульсним лазерним випромінюванням. На основі аналізу проведених досліджень шорсткості після модифікації поверхні сталі, розроблено новий технологічний процес, що зменшив світловідбивальні характеристики поверхонь деталей, виготовлених зі сталі AISI 321. В основу технологічного процесу покладено структурування поверхні наноімпульсним лазерним опроміненням з метою створення технологічних умов отримання контрольованої шорсткості поверхні із формуванням періодичних і вірогідних 3D структур. У вступі дисертаційної роботи обґрунтована актуальність теми, приведені мета роботи, наукова новизна, обґрунтована достовірність отриманих результатів, визначена практична цінність, представлені дані про апробацію роботи, публікації та особистий внесок здобувача у ході виконання дослідження. У першому розділі досліджено актуальні науково-технічні завдання, пов'язані з формуванням шорсткості поверхні нержавіючої сталі короткоімпульсним лазерним випромінюванням. Здійснено аналіз сучасних підходів та розглянуто їх обмеження. Сформульовано основну наукову проблему, яка полягає у створенні на поверхні 3Д періодичних мікро і наноструктур з метою покращенні ефективності розсіювання лазерного випромінювання. Обґрунтовано вибір методів для подальшого дослідження. Сформульовано завдання дисертаційного дослідження. У другому розділі наведений опис технологічного обладнання для модифікації поверхні наносекундними лазерними імпульсами та дослідження параметрів шорсткості обробленої поверхні. У третьому розділі розгалужено математичну модель процесу взаємодії лазерного променю з оброблюваним матеріалом. Комп’ютерне дослідження нагрівання та руйнування поверхні виконане на основі побудованих скінчено- елементних моделей, що стали передумовою отримання раціональних технологічних параметрів лазерного опромінення для мікроструктурування поверхонь з різною шорсткістю та періодичністю профілю створених мікроструктур У четвертому розділі виконано експериментальні дослідження оброблення поверхні сталі AISI 321 наносекундним лазерним випромінюванням шляхом сканування за строковою стратегією та з різними технологічними режимами. На першому етапі практичних досліджень процесу наносекундного лазерного опромінення було оброблено 11 позицій сталевого зразка строковим скануванням з кроком 25мкм та із змінними параметрами швидкості сканування, частоти лазерних імпульсів та потужності лазеру. Із аналізу результатів дослідження поверхонь зразків, що виконували із застосуванням цифрового оптичного мікроскопу KEYENCE VHX 7100, були виділені найбільш характерні режими для формування періодичних 3D структур. Встановлено, що періодичні структури при раціональних режимах оброблення зразку характеризуються симбіозом кратерів і кілець кратерів, що підтвердило результати моделювання методами скінчених елементів. У п’ятому розділі дослідження фокусувалися на аналізі параметрів шорсткості та твердості поверхні оброблених зразків сталі AISI 321. Використано взаємодоповнюючи методи дослідження із використанням атомно-силового мікроскопу ICON Scanning Probe Microscope, цифрового оптичного мікроскопу Bruker Alicona PortableRL, цифрового оптичного мікроскопу ZEISS AXIO, твердоміру за Віккерсом фірми Zwick Roell. Дослідження шорсткості виконувалось у двох напрямках – вдовж ліній сканування лазерного променю, та впоперек ліній сканування. Встановлено явне посилення змін у структурі поверхні з підвищенням рівня потужності лазерного випромінення, що характеризуються появою періодичності поверхневих 3D структур. Періодичність структури підтверджується параметрами текстури поверхні Ssk і Sku. Встановлено, що за низької інтенсивності лазерного випромінювання на поверхні формується шорсткість з імовірнісним (випадковим) розподілом амплітуд і 3D форм створюваних структур. Збільшення інтенсивності лазерного опромінення впливає на розвиток рельєфу профілю, збільшення рівня періодичності структури обробленого зразка, формування мікро- і нано- лазерно-індукованих періодичних структур, що підтверджено на ділянках експериментального зразка сталі, де також відзначений значний вплив напрямку сканування лазерного променю на залежність параметрів Ra, Rq і Rz. Встановлено, що більш високі значення контрольованих параметрів спостерігаються на поверхні при вимірюванні профілю, що відповідає напрямку сканування лазерного променю. Таким чином обґрунтовано, що модифікація поверхні пов'язана не тільки з інтенсивністю процесу опромінення, а й з напрямком сканування лазерним променем, що підтверджено величиною ексцесу - Sku. Зазначено, що лазерне випромінювання дає змогу змінювати ступінь зсуву форми шорсткості та ексцес, що є принципово важливим при розгляді процесів поглинання і розсіювання електромагнітних хвиль модифікованою поверхнею. Підкреслено, що запропоновані режими лазерного наноімпульсного оброблення сталевого зразка дозволили отримати поверхні із збільшеною площею (Sdr), що має перспективу застосування при розгляді процесів адсорбції. Анізотропія шорсткості наноструктурованої поверхні вздовж ліній сканування лазерного променю може бути використана при вирішенні питань трибології. Отримані результати експериментальних досліджень шорсткості оброблено за методиками теорії вірогідності і побудовано діаграми нормального розподілу амплітуд. Результати AFM аналізу дозволили стверджувати про можливість створення практично усіх головних типів 3D структур поверхні: вірогідна, квазівірогідна, квазіперіодична та періодична. Відзначено, що детальна конструкція поверхневих 3D структур може включати окремо мікрорівень, нанорівень так і взаємну їх інтеграцію. Доведено наявність області існування технологічних параметрів лазерного випромінювання для створення дворівневих та багаторівневих поверхневих 3D структур. На подальшому етапі дослідження проаналізовано вплив технологічних параметрів наносекундного оброблення на показники твердості модифікованих поверхонь сталі. Відзначено, що за малої інтенсивності лазерного випромінювання, процеси, що мають місце в поверхневому шарі оброблюваного матеріалу відповідають характеру традиційного нагрівання- охолодження. Однак при досягненні відповідник критичних умов опромінення (потужності опромінення, швидкості нагрівання та охолодження, градієнту деформації тощо) відбувається лазерне зміцнення аустенітної сталі із підвищенням твердості, тобто, загартування. Результатами моделювання та експериментально підтверджено, що при багаторазовому короткочасному накладанні теплових плям, що неодноразово перетинають одна одну, виникає збільшення теплової деформації матеріалу, і, як результат, в поверхневому шарі формуються більш міцні кристалічні структури, які можуть бути пов’язані з процесами часткового перетворення аустеніту в мартенсит та утворенням твердих карбідів і окислів в поверхневому шарі обробленого металу. У шостому розділі представленого дослідження вирішувалась задача розсіювання лазерного випромінення та забезпечення контролю наявності поверхневих 3D структур при виробництві деталей машин і агрегатів. Було запропоновано і апробовано метод контролю періодичних 3D структур поверхні шляхом використання ковзного лазерного опромінення 3D шорстких поверхонь гелій-неоновим лазером. Суть методу полягає в об'єктивній оцінці стану поверхні за картинами інтерференційного розсіювання, як періодичних так і вірогідних 3D структур, та інтенсивності дзеркального відображення світла. Дослідження розсіювання лазерного випромінювання виконували на спеціально створеному експериментальному стенді. Встановлено, що 3D структури лазерномодифікованої поверхні мають зазвичай багаторівневий характер, що залежить від технологічних параметрів обробки лазером. Визначено, що розсіювання лазерного випромінювання найбільше залежить від параметрів нахилу 3D структур, округлення піків і параметрів западин. Доведено, що для кількісної оцінки параметрів розсіювання є недостатнім використання трьох традиційних параметрів шорсткості Ra, Rz, Rq. Необхідно проводити комплексний аналіз поверхні згідно зі стандартом ISO 2518, що і було виконано у даній роботі. За результатами чисельних експериментів з розсіювання гелій-неонового променю відбитого від різних областей обробленого зразка сталі AISI 321 вдалося визначити умови створення 3D структур, за умови, коли у спектрі інтерференційних структур виявляються лише періодичні структури. До основних результатів розділу також належить визначення умови та безпосереднє створення 3D структури, що забезпечує повне розсіювання лазерного випромінювання, що падає на її поверхню. The dissertation work is devoted to the solution of an urgent scientific and technical problem related to the solution of problems of low-visibility of stainlesssteel products. The object of research is the process of formation of periodic and probabilistic 3D structures during modification of steel surface with laser radiation. The subject of the study is the regularities of formation of periodic and probabilistic 3D structures during nanosecond laser treatment of austenitic chromium-nickel steel AISI 321 and their scattering ability. The aim of the thesis work is the technological provision of surface roughness of austenitic chromium-nickel steel AISI 321 by its modification to provide lightreflecting characteristics on the basis of creation of 3D reliable and periodic microand nanostructures by short-pulse laser radiation. Based on the conducted research analysis of roughness after steel surface modification, a new technological process has been developed, which reduced the light-reflecting characteristics of the components' surfaces produced from AISI 321 steel. The technological process is based on surface structuring with nano2pulse laser irradiation to create technological conditions for obtaining controlled surface roughness with the formation of periodic and probable 3D structures. In the introduction of the dissertation, the topicality of the topic is substantiated, the purpose of the work, scientific novelty, the substantiated reliability of the obtained results, the practical value is determined, the data on the approbation of the work, publications and the personal contribution of the recipient in the course of the research are presented. In the first chapter, current scientific and technical tasks related to the formation of stainless-steel surface roughness by short-pulse laser radiation are investigated. An analysis of modern approaches was carried out and their limitations were considered. The main scientific problem is formulated, which consists in creating 3D periodic micro- and nanostructures on the surface in order to improve t he e fficiency of scattering of laser radiation. The choice of methods for further research is justified. The task of the dissertation research is formulated. The second section describes the technological equipment for surface modification with nanosecond laser pulses and investigation of roughness parameters of the processed surface. In the third chapter, the mathematical model of the process of interaction of the laser beam with the processed material is branched out. A computer study of surface heating and destruction was performed on the basis of constructed finite element models, which became a prerequisite for obtaining rational technological parameters of laser irradiation for microstructuring of surfaces with different roughness and periodicity of the profile of the created microstructures In the fourth chapter, experimental studies of surface treatment of AISI 321 steel with nanosecond laser radiation by scanning according to a line strategy and with different technological modes were performed. At t he first stage of practical studies of the process of nanosecond laser irradiation, 11 positions of the steel sample were processed by periodic scanning with a step of 25 μm and with variable parameters of scanning speed, frequency of laser pulses and laser power. The most characteristic modes for the formation of periodic 3D structures were selected from the analysis of the results of the examination of the surfaces of the samples performed using a KEYENCE VHX 7100 digital optical microscope. It was established that periodic structures with rational modes of sample processing are characterized by a symbiosis of craters and crater rings, which confirmed the results of finite element modeling. In the fifth section, the research focused on the analysis of surface roughness and hardness parameters of processed AISI 321 steel samples. Complementary research methods were used using the atomic force microscope ICON Scanning Probe Microscope, Bruker Alicona PortableRL digital optical microscope, ZEISS AXIO digital optical microscope, Vickers hardness tester Zwick Roell company. The study of roughness was carried out in two directions - along the scanning lines of the laser beam and across the scanning lines. A clear increase in changes in the surface structure was established with an increase in the power level of laser radiation, characterized by the appearance of periodicity of surface 3D structures. The periodicity of the structure is confirmed by the surface texture parameters Ssk end Sku. It was established that at a low intensity of laser radiation, roughness with a probabilistic (random) distribution of amplitudes and 3D shapes of the created structures is formed on the surface. An increase in the intensity of laser irradiation affects the development of the topography of the profile, an increase in the level of periodicity of the structure of the processed sample, the formation of micro- and nano-laser-induced periodic structures, which was confirmed on the sections of the experimental steel sample, where a significant influence of the laser beam scanning direction on the dependence of Ra parameters was also noted, Rq and Rz. It was established that higher values of the controlled parameters are observed on the surface when measuring the profile corresponding to the scanning direction of the laser beam. Thus, it is substantiated that the modification of the surface is related not only to the intensity of the irradiation process, but also to the direction of scanning by the laser beam, which is confirmed by the excess value - Sku. It is noted that laser radiation makes it possible to change the degree of shift of the shape of roughness and excess, which is fundamentally important when considering the processes of absorption and scattering of electromagnetic waves by a modified surface. It is emphasized that the proposed modes of laser nanopulse processing of a steel sample made it possible to obtain surfaces with an increased area (Sdr), which has the prospect of application when considering adsorption processes. The anisotropy of the roughness of the nanostructured surface along the scanning lines of the laser beam can be used to solve tribology issues. The obtained results of experimental studies of roughness were processed according to the methods of probability theory and diagrams of the normal distribution of amplitudes were constructed. The results of the AFM analysis allowed us to assert the possibility of creating almost all the main types of 3D surface structures: probable, quasi-probable, quasi-periodic and periodic. It is noted that the detailed design of surface 3D structures can include separately the micro-level, nano-level, and their mutual integration. The presence of the existence of technological parameters of laser radiation for the creation of two-level and multi-level surface 3D structures is proved. At the next stage of the research, the influence of technological parameters of nanosecond processing on hardness indicators of modified steel surfaces was studied. It was noted that at a low intensity of laser radiation, the processes taking place in the surface layer of the processed material correspond to the nature of traditional heatingcooling. However, upon reaching the corresponding critical irradiation conditions (irradiation power, heating and cooling rate, deformation gradient, etc.), laser hardening of austenitic steel occurs with increased hardness, that is, hardening. Simulation results and experimentally confirmed that with repeated short-term application of heat spots repeatedly crossing each other, there is an increase in thermal deformation of the material, and as a result, stronger crystal structures are formed in the surface layer, which can be associated with partial transformation processes austenite into martensite and the formation of solid carbides and oxides in the surface layer of the treated metal. In the sixth chapter of the presented study, the problem of scattering laser radiation and ensuring control of the presence of surface 3D structures during the production of parts of machines and units was solved. A method of controlling periodic 3D surface structures by using sliding laser irradiation of 3D rough surfaces with a helium-neon laser was proposed and tested. The essence of the method is the objective assessment of the state of the surface based on patterns of interference scattering, both periodic and probable 3D structures, and the intensity of specular reflection of light. Laser radiation scattering studies were performed on a specially created experimental stand. It was established that the 3D structures of the lasermodified surface are usually multi-level in nature, which depends on the technological parameters of the laser treatment. It was determined that the scattering of laser radiation depends most on the parameters of the slope of 3D structures, the rounding of peaks and the parameters of depressions. It is proved that the use of three traditional roughness parameters Ra, Rz, Rq is insufficient for the quantitative assessment of scattering parameters. It is necessary to carry out a comprehensive analysis of the surface in accordance with the ISO 2518 standard, which was performed in this work. According to the results of numerical experiments on the scattering of a helium-neon beam reflected from different areas of a processed sample of AISI 321 steel, it was possible to determine the conditions for the creation of 3D structures, provided that only periodic structures are detected in the spectrum of interference structures. The main results of the section also include the definition of the condition and the direct creation of a 3D structure that ensures complete scattering of laser radiation falling on its surface.