Разработка комбинированных методов импульсной лазерно-магнитной и ионно-лучевой обработки поверхности деталей и инструмента

• Автор: Тихонов, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 05.02.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 168 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Анализ существующих методов обработки поверхности лазерными и ионными пучками и постановка задач исследований
1.1. Физические основы взаимодействия ионов с твердыми телами и проблемы полиэнергетической ионной имплантации при модификации свойств поверхности деталей

1.2. Сущность лазерно-магнитной обработки материалов

1.3. Целесообразность обработки объектов машиностроения импульсными высокоэнергетическими пучками

1.4. Постановка задач исследования

Глава 2. Особенности лазерно-магнитного воздействия на материал

2.1. Экспериментальное оборудование и методики исследования

2.2. Влияние магнитного поля на форму светоэрозионного факела

2.3. Прозрачность светоэрозионного факела при лазерно-магнитном воздействии на материал
2.4. Динамика изменения температуры светоэрозионного факела
Выводы по главе
Глава 3. Исследование процесса полиэнергетической высокодозной ионной имплантации
3.1. Техника ионной имплантации и методики исследований
3.2. Исследование концентрационного профиля имплантируемых элементов в материале
3.3. Моделирование процесса полиэнергетической высокодозной ионной имплантации
Выводы по главе
Глава 4. Экспериментальное изучение модифицирующего эффекта высокоэнергетических пучков
4.1. Влияние лазерно-магнитной обработки на микроструктуру сталей
4.2 Влияние ЛММ на механические характеристики объектов обработки
4.2.1. Микротвердость и структура зоны упрочнения
4.2.2. Прочностные испытания
4.2.3. Повышение износостойкости
4.3. Изменения физико-механические и коррозионных свойств методом ионно-лучевой модификации
4.3.1. Микротвердость
4.3.2. Трибологические характеристики
4.3.3. Коррозионная стойкость
Выводы по главе
Глава 5. Развитие лазерно-магнитной и ионно-лучевой модификации
5.1. Оценка перспектив развития ЛММ
5.2. Комбинированное воздействие лазерных и ионных пучков
5.3. Примеры практического использования ЛММ и ИЛМ для обработки поверхности деталей и инструмента
Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы
Приложение 1 Программа моделирования процесса полиэнергетической ионной имплантации
Приложение 2 Результаты трибологических испытаний
Приложение 3 Акты внедрения

Введение
Ионно-лучевая и лазерно-магнитная модификация (ИЛМ и ЛММ, соответственно) позволяют решать целый ряд проблем машиностроения, приборостроения и авиастроения за счет целенаправленного изменения свойств поверхностных слоев режущего и измерительного инструмента, деталей приборов и машин, элементов технологической оснастки путем упрочнения и легирования, позволяя повысить их стойкость и долговечность, сократить длительность производственного цикла, уменьшить количество подготовительных операций и использовать стандартное оборудование.
Комбинированный метод лазерно-магнитной модификации при обработке материалов, основанный на синергетическом воздействии лазерного излучения и магнитного поля, позволяет решать многие технологические задачи, которые невозможно выполнить на базе существующих технологий. Присутствие магнитного поля при взаимодействии лазерного излучения с материалами оказывает существенное влияние на развитие термо-, газо- и гидродинамических процессов, приводит к изменению тепло- и массопереноса в зоне действия лазерного излучения, характера истечения продуктов световой эрозии, сдвигу температуры и скорости фазовых переходов в материалах, локальному нагреву областей сосредоточения неоднородностей, сжатию и замагничиванию светоэрозионной плазмы. Данные особенности открывают широкие возможности по интенсификации лазерных технологических процессов в области размерной обработки, упрочнения и легирования.
При ионно-лучевой модификации на поверхность детали и инструмента воздействуют потоком высокоэнергетических ионов, вызывающих изменение элементного состава (легирование), структурного и фазового состояния приповерхностных слоев. С помощью этого метода удается направленно изменять такие свойства материалов, как микротвердость, износостойкость, коррозионная стойкость, жаростойкость, а также ряд специальных характеристик.
Для ИЛМ широкое распространение получили бессепарационные технологические имплантеры с вакуумно-дуговыми импульсными ионными

Магнитное поле создавали с помощью индуктора (рис.2.1, поз.4) с источником тока "Полюс-600" (рис.2.1, поз.5). Для исследования процессов, происходящих в зоне взаимодействия лазерного излучения с материалами, была применена стандартная методика “тонких пластин” [47,48], основанная на воздействии лазерного излучения на границу между прозрачным экраном (рис.2.1, поз.З) и заготовкой-мишенью (рис.2.1, поз.2).
2.2. Влияние магнитного поля на форму светоэрозионного факела
Исследованию лазерной плазмы, создаваемой в сильных магнитных полях посвящено значительное количество работ [49-57]. Однако, главным образом в них изучалось влияние магнитного поля на порог образования и динамику лазерной искры в атмосфере газов и повышенного давления окружающей среды. Представляет интерес исследования влияния магнитного поля на динамику светоэрозионного факела, образующегося при нормальных условиях, а также влияние поля на динамику процессов кратерообразования. Осуществление такого рода экспериментов может дать дополнительные сведения о физических процессах, сопровождающих целый ряд технологических операций лазерной обработки.
Методами скоростной фотохронографии и спектроскопии проведено исследование влияния магнитного поля на динамику развития лазерного факела, образованного при взаимодействии излучения А.=0.69 мкм с поверхностью мишени из стали ЗОХГСА. Для этой цели использовали сверхскоростной фоторегистратор СФР в режимах фотохронографа, спектрофотохронографа и кадрированной съемки. Магнитное поле создавали с помощью индуктора с источником питания "Полюс-600".
СФР-граммы (получены с помощью скоростного фоторегистратора СФР в режиме кадрированной съемки) представлены на рисунках 2.2.а, б, в.