Технологічні особливості формування періодичних мікроструктур типу "луска риби" на поверхні нержавіючої сталі 12Х18Н10Т наносекундним лазерним опроміненням

Abstract

Розглянуто технологічні особливості формування періодичних мікроструктур типу «луска риби» на поверхні нержавіючої сталі 12Х18Н10Т шляхом наносекундного лазерного опромінення. Проаналізовано закономірності взаємодії лазерного випромінювання з матеріалом, що включають процеси нагріву, фазових переходів, абляції та формування рельєфу поверхні. Запропоновано математичну модель процесу, що враховує рівняння теплопровідності, кінетику фазових переходів та механізми абляції. Акцентовано увагу на методах чисельного моделювання, зокрема методах скінченних елементів та скінченних різниць, для прогнозування поведінки матеріалу під впливом лазерного опромінення. Підтверджено кореляцію між енергетичними параметрами лазера та глибиною абляції, що дозволяє визначити оптимальні режими обробки для створення періодичних мікроструктур із заданими геометричними характеристиками. Виконано чисельне моделювання розподілу температурного поля та динаміки змін рельєфу поверхні, що демонструє ефект насичення матеріалу та вплив перекриття імпульсів на формування мікроструктури. Експериментально досліджено формування лазерних мікроструктур на поверхні нержавіючої сталі за допомогою наносекундного лазера Мінімаркер 2. Підтверджено, що отримані мікроструктури добре корелюють із результатами чисельного моделювання. The paper presents a scientific substantiation of the technological aspects of forming periodic microstructures of the "fish scale" type on the surface of AISI 321 stainless steel using nanosecond laser irradiation. The study establishes the fundamental interactions between laser radiation and the material, develops a mathematical model of heating, phase transitions, ablation, and surface relief formation, and experimentally validates the results. From an engineering perspective, the controlled formation of periodic microstructures on metal surfaces enables the modification of their operational properties, including increased wear resistance, reduced friction coefficient, enhanced adhesion characteristics, and improved corrosion resistance. This opens up broad prospects for applying laser microtexturing in aerospace, automotive, medical, and energy engineering industries, where surface microrelief optimization can significantly enhance component functionality and durability. The study thoroughly examines the interaction of nanosecond laser radiation with metal surfaces, considering key physical processes such as heating, phase transitions, ablation, and surface roughness formation. A theoretical model of the process is developed based on heat conduction equations, phase transition kinetics, and ablation mechanisms. The model incorporates the laser system Minimarker 2 parameters and the material properties of AISI 321 stainless steel, including density, heat capacity, thermal conductivity, melting and boiling temperatures, absorption coefficient, and specific latent heat of fusion and vaporization.