Vpliv parametrov laserskega udarnega utrjevanja na zaostale napetosti v visoko-trdnostnih aluminijevih zlitinah

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Vpliv parametrov laserskega udarnega utrjevanja na zaostale napetosti v visoko-trdnostnih

aluminijevih zlitinah

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje strojništvo – Razvojno raziskovalni program

Jan Ahačič

Ljubljana, september 2021

(2)

vi

(3)

vii

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Vpliv parametrov laserskega udarnega utrjevanja na zaostale napetosti v visoko-trdnostnih

aluminijevih zlitinah

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje strojništvo – Razvojno raziskovalni program

Jan Ahačič

Mentor: doc. dr. Uroš Trdan Somentor: znan. svet. dr. Laurent Berthe

Ljubljana, september 2021

(4)

viii

Ljubljana, september 2021

(5)

ix

Zahvala

Rad bi se zahvalil svojemu mentorju, doc. dr. Urošu Trdanu, za strokovno svetovanje in usmerjanje pri pisanju te naloge. Zahvaljujem se tudi somentroju, znan. svet. dr. Laurent Berthe, za izvedbo laserskega udarnega utrjevanja na vzorcih.

Rad bi se zahvalil tudi svoji družini in dekletu Lani za vso spodbudo pri nastajanju te naloge.

.

(6)

x

(7)

xi

Izvleček

UDK 669.715:620.179:621.9.048(043.2) Tek. štev.: UN I/1598

Vpliv parametrov laserskega udarnega utrjevanja na zaostale napetosti v visoko-trdnostnih aluminijevih zlitinah

Jan Ahačič

Ključne besede: visoko-trdnostne aluminijeve zlitine

površinsko utrjevanje s plastično deformacijo lasersko udarno utrjevanje

zaostale napetosti rentgenska difrakcija

Izločevalno utrjene, visokotrdnostne aluminijeve (Al) zlitine so v industriji pomemben ter nepogrešljiv material predvsem zaradi dobrega razmerja med trdnostjo in gostoto. V letalski industriji so tako še vedno pogosto v uporabi, kljub velikemu porastu kompozitnih materialov z ogljikovimi vlakni, ojačanega z epoksidno matrico. Vendar pa izpostavljenost izrednim razmeram v aviaciji, kot so visoko-ciklično utrujanje ter korozijska degradacija, zahteva dodatno tehnologijo površinskega utrjevanja. Novodobna tehnologija laserskega udarnega utrjevanja (LSP) počasi, a vztrajno izpodriva konvencialno kinetično utrjevanje s kroglicami (SP), saj omogoča višjo kontrolo obdelovalnosti, odsotnost kontaminacije ter vnos višjih tlačnih zaostalih napetosti v tankem površinskem sloju materiala. V zaključni nalogi smo preučevali vpliv različnih parametrov LSP tretiranja na vnešene zaostale napetosti na vzorcih iz Al zlitin 2017A-T451 ter 7075-T651. Analizirali smo vpliv dveh različnih prevlek (Al trak in črni PVC), različnih gostot moči ter števila prehodov. Z metodo rentgenske difrakcije (XRD) smo tako izmerili zaostale napetosti na LSP obdelani površini ter na nasprotni/neobdelani strani 10mm debilih Al plošč. Rezultati analiz so potrdili največje tlačne zaostale napetosti, ki jih na površju dosežemo z uporabo črne PVC zaščitne prevleke, višje gostote moči ter ob uporabi večjega števila prehodov laserskega snopa preko površine. Največje vrednosti tlačnih zaostalih napetosti smo dobili pri večji gostoti moči (8 GW/cm²), največjem številu prehodov (3) ter pri uporabi črnega PVC traku, kjer so tlačne zaostale napetosti v transverzalni smeri znašale -420 MPa v primeru zlitine Al 2017A-T451 ter -421 MPa v primeru zlitine Al 7075A-T651. Največje tlačne zaostale napetosti na neobdelani/nasprotni strani LSP so bile dosežene pri zlitini Al 7075A-T651, obdelane z največjo gostoto moči, največjim številom prehodov ter z uporabo črnega PVC zaščitnega medija.

(8)

xii

Abstract

UDC 669.715:620.179:621.9.048(043.2) No.: UN I/1598

Effect of laser shock peening parameters on residual stresses in high- strength aluminium alloys

Jan Ahačič

Key words: high-strength aluminium alloys surface peening of aluminium alloys laser shock peening (LSP)

residual stress x-ray diffraction

Precipitation hardened aluminium alloys are a very important and infallible material in industry mostly because of their good density/strength ratio. They are used especially a lot in aviation industry despite a large increase in epoxy matrix reinforced carbon fiber composite materials. Because of the exposure to extreme conditions in aviation, such as high-cycling fatigue and corrosive degradation, additional technology for surface hardening is neded. The modern method of Laser Shock Peening (LSP) is slowly but persistantly displacing the conventional kinetic method of Shock Peening (SP), because it allows more workability control, absence of contamination and imparting of higher

residual stress into the thin surface of the material. In this thesis we have studied the effect of differen LSP treatment parameters on entered residual stress on samples of Al alloys 2017A-T451 and 7075-T651. We have analized the impact of two different coatings (Al tape and black PVC tape), different power densities and also different numbers of passes.

By using x-ray diffraction (XRD) method we have measured residual stresses on the treated surface and on the other/untreated side of the Al plates with 10mm thickness. The results of the analys have confirmed that largest residual stress has been entered using black PVC tape as coating, higher power density and larger number of laser beam passes across the surface. The highest compressive residual stresses were obtained using highest power density (8 GW/cm²), highest number of passes (3) and with the use of black PVC tape, where the compressive residual stresses in transversal direction were -420 MPa for 2017A-T451 and -421 MPa for 7075A-T651 Al alloy. The highest residual stresses on the untreated/opposite side were confirmed with alloy Al 7075A-T651, treated with the highest power density, highest number of passes and coated with black PVC tape.

(9)

xiii

Kazalo

Kazalo ... xiii

Kazalo slik ... xv

Kazalo preglednic ... xvii

Seznam uporabljenih simbolov ... xviii

Seznam uporabljenih okrajšav ... xix

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Namen in cilji ... 1

2 Teoretične osnove in pregled literature ... 2

2.1 Aluminijeve zlitine... 2

2.1.1 Delitev aluminijevih zlitin, njihovo označevanje in toplotna stanja ... 2

2.1.2 Mehanske lastnosti in uporaba aluminijevih zlitin serije 2xxx in 7xxx ... 4

2.2 Lasersko udarno utrjevanje letalskih visoko-trdnostnih aluminijevih zlitin 5 2.2.1 Lasersko udarno utrjevanje ... 5

2.2.2 Lasersko udarno utrjevanje visoko-trdnostnih aluminijevih zlitin ... 10

2.3 Napetosti v LSP obdelanih komponentah ... 13

2.3.1 Merjenje zaostalih napetosti ... 18

2.4 Mehanske lastnosti LSP obdelanih zlitin ... 21

3 Metodologija raziskave ... 27

3.1 Osnovni material ... 27

3.2 Lasersko udarno utrjevanje ... 28

3.3 Zaostale napetosti po postopku rentgenske difrakcije... 31

4 Rezultati in diskusija ... 34

4.1 Vizualni pregled LSP tretiranih površin ... 34

(10)

xiv

4.2 Analiza zaostalih napetosti LSP obdelanih področij ... 35

4.3 Zaostale napetosti na neobdelani strani vzorcev ... 43

5 Zaključki ... 46

Literatura ... 48

(11)

xv

Kazalo slik

Slika 2.1: Uporaba aluminija v letalu [4]. ... 5

Slika 2.2:Prikaz procesa obstreljevanja materiala s kroglicami in nastanka zaostalih napetosti [9]. ... 6

Slika 2.3: Shema LSP procesa [13]. ... 7

Slika 2.4: 3D topografija neobdelane aluminijeve zlitine (a) ter zlitine obdelane z LSPwC (b) [7]. ... 8

Slika 2.5: Prikaz delovanja procesa LSP s prevleko (a); in brez prevleke (b) [12]. ... 9

Slika 2.6: Nastanek jamičaste korozije na neobdelanem vzorcu pri ciklični polarizaciji (levo) ter na LSPwC obdelanem vzorcu (desno). [15] ... 11

Slika 2.7: Prikaz velikosti opazovanega območje zaostalih napetosti I. reda (σI), zaostalih napetosti II. reda (σII) in zaostalih napetosti III. reda (σIII) [21]. ... 13

Slika 2.8: Vpliv ablacijske prevleke in velikost laserske pege na površinske zaostale napetosti. ... 15

Slika 2.9: Vpliv prosojne (omejitvene) plasti na potek zaostalih napetosti v materialu [30]. ... 16

Slika 2.10: Potek tlačnih zaostalih napetosti v odvisnosti od gostote moči laserja pri trajanju pulza (a) 2,5 ns; in (b) 25 ns [31]. ... 16

Slika 2.11. Potek tlačnih zaostalih napetosti v odvisnosti od števila prehodov pri izvedbi LSP na aluminijevi zlitini 7075-T7351 [24] ... 17

Slika 2.12: Shema za (a) 50%; (b) 70% in (c) 90% stopnjo prekrivanja [32]. ... 18

Slika 2.13: Merjenje zaostalih napetosti z vrtanjem luknje [35]. ... 19

Slika 2.14: Odboj rentgenskih žarkov od dveh kristalnik ravnin in njun razmik [28]. ... 20

Slika 2.15: Primer krivulje d(sin2Ψ) [29]. ... 21

Slika 2.16. Zaostale napetosti v aluminijevi zlitini 6061-T6 pri izvedbi LSP z in brez prevleke [20]. ... 22

Slika 2.17: (a) primerjava med številom ciklov, ki so jih preživeli vzorci pred porušitvijo. (b) σmax –N krivulje za LSP obdelan, SP obdelan in neobdelan vzorec [10]. ... 23

Slika 2.18: (a) Mikrostruktura vzorca obdelanega z LSPwC (8.9 GW/cm2). (b) povečava pod površjem, mikrostruktura s podolgovatimi zrni in (c) povečava mikrostrukture tik na površju z manjšimi in bolj okroglimi zrni [19]... 23

Slika 2.19: Prikaz pojava in rasti razpoke v neobdelanem vzorcu (levo) ter v vzorcu, obdelanem z LSP (desno) [23]. ... 24

Slika 2.20: (a) 3D topografija neobdelanega vzorca, (b) 2D slika po vikofrekvenčnem filtriranju z označinimi linajmi merjenja in (c) topografski liniji profila [7] ... 25

Slika 2.21: (a) 3D topografija LSP obdelanega vzorca, (b) 2D slika po vikofrekvenčnem filtriranju z označinimi linajmi merjenja in (c) topografski liniji profila [7]. ... 25

Slika 3.1: Shematski prikaz LSP obdelovanega vzorca. ... 29

Slika 3.2: Slika laserja Thales Gaia HP Laser (levo) in postavitev LSP naprave za obdelavo vzorcev z laserskim udarnim utrjevanjem (desno). ... 30

Slika 3.3: Pozicioniranje vzorcev v obdelovalno pripravo (levo) in priprava vzorca z zaščitno prevleko (desno). ... 31

(12)

xvi Slika 3.4: Naprava za merjenje zaostalih napetosti Proto iXRD (levo) in kontrolna enota

(desno) [41]. ... 32

Slika 3.5: Spodnja stran vzorca zlitine 2017A-T451 (levo) ter iz zlitine 7075-T651 (desno). ... 33

Slika 4.1: Vzorec zlitine 2017A-T451 ... 34

Slika 4.2: Vzorec iz zlitine 7075-T651. ... 35

Slika 4.3: Zaostale napetosti glede na število prehodov LSP za Al 2017-T451 v L smeri. 37 Slika 4.4: Zaostale napetosti glede na število prehodov LSP za Al 2017-T451 v T smeri. 38 Slika 4.5: Zaostale napetosti glede na število prehodov LSP za Al 7075-T651 v L smeri. 39 Slika 4.6: Zaostale napetosti glede na število prehodov LSP za Al 7075-T651 v T smeri . 40 Slika 4.7: Zaostale napetosti v odvisnosti od gostote moči za Al 2017A-T451 v L smeri. 41 Slika 4.8: Zaostale napetosti glede na gostoto moči LSP za Al 2017A-T451 v L smeri. ... 41

Slika 4.9: Zaostale napetosti glede na gostoto moči LSP za Al 7075-T651 v L smeri. ... 42

Slika 4.10: Zaostale napetosti glede na gostoto moči LSP za Al 7075-T651 v T smeri ... 43

Slika 4.11: Zaostale napetosti na neobdelani strani vzorcev, merjene v L smeri. ... 44

Slika 4.12: Zaostale napetosti na neobdelani strani vzorcev, merjene v T smeri. ... 45

(13)

xvii

Kazalo preglednic

Preglednica 2.1: Razvrstitev aluminijevih zlitin glede na glavni legirni element in nekatere

njihove lastnosti [1]. ... 3

Tabela 2.2: Parametri LSP obdelave aluminijevih zlitin sorodnih študij. ... 12

Preglednica 3.1: Mehanske lastnosti aluminijevih zlitin 2017A-T451 in 7075-T651 [26]. 27 Preglednica 3.2: : Kemijska sestava (v ut.%) aluminijevih zlitin 2017A-T451 in 7075-T651 [27]. ... 28

Tabela 3.3. Lastnosti laserja Thales Gaia HP Laser. ... 29

Tabela 3.4: Parametri merjenja zaostalh napetosti z napravo iXRD. ... 32

Preglednica 4.1: Rezultati meritev zaostalih napetosti v Al 2017A-T451. ... 36

Preglednica 4.2: Rezultati meritev zaostalih napetosti v Al 7075-T651. ... 39

Preglednica 4.3: Rezultati merjenja zaostalih napetosti na neobdelani strani vzorcev za material Al 2017A-T451 ... 43

Preglednica 4.4: Rezultati merjenja zaostalih napetosti na neobdelani strani vzorcev za material Al 7075-T651. ... 44

(14)

xviii

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

𝐴 / absorbcijski koeficient zaščitne prevleke

a cm² površina laserskega žarka

d mm premer laserskega žarka

𝑑_hkl mm Medravninska razdalja (hkl) v kristalni rešetki

E MPa Youngov modul

𝑓 Hz frekvenca laserja

G GPa strižni modul

𝑄_P GW/cm² gostota moči laserskega žarka

m / naklon premice

P Pa tlak

𝑃_avg W povprečna moč laserja

r mm polmer laserskega žarka

Rm MPa natezna trdnost

Rp0.2 MPa meja plastičnosti

t_p ns čas trajanja pulza

z / impedanca

𝛼 / delež notranje energije pri prenosu toplote

ɛ_hkl / raztezek kristalne rešetke

ɛ_ΦΨ / raztetek, merjen pod kotom nagiba

ɛ_⟘ / raztezek, merjen pravokotno na merjenec

θ ° difrakcijski kot

λ nm valovna dolžina

ν / Poissonovo število

ρ g/cm³ gostota snovi

σ MPa zaostala napetost

σ

D Mpa trajna dinamična trdnost

τ MPa strižna trdnost

Ψ ° kot nagiba

(15)

xix

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

LSP lasersko udarno utrjevanje (angl. Laser Shock Peening) LSPwC lasersko udarno utrjevanje brez prevleke (angl. Laser Peening

without Coating)

SP kinetično obstreljevanje s trdimi delci (angl. Shot Peening)

(16)

1

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

Potrebe po uporabi aluminijevih zlitin v letalski industriji so še vedno zelo velike. Zaradi zelo dobrega razmerja med maso in trdnostjo so te namreč izredno priljubljene za izdelavo letalskih delov. V te namene se zaradi svoje visoke ravni trdnosti uporabljata predvsem aluminijevi zlitini serije 2xxx in 7xxx. Vendar pa moramo zaradi potreb letalske industrije po čim večji odpornosti na utrujanje, trajni dinamični trdnosti, odpornosti na korozijo itd.

material še dodatno (površinsko) utrditi, za kar je primerno uporabiti lasersko udarno utrjevanje (LSP), ki v material z energijo laserske svetlobe vnaša tlačne zaostale napetosti, kar pa pomembno vpliva tudi na ostale mehanske lastnosti aluminijevih zlitin.

1.2 Namen in cilji

Pri zaključni nalogi smo proučevali vpliv različnih parametrov laserskega udarnega utrjevanja (LSP) s prevleko aluminijevih zlitin 2017A-T451 ter 7075-T651. Z LSP v material vnesemo tlačne zaostale napetosti, ki pomembno vplivajo na mehanske lastnosti.

Namen zaključne naloge je poiskati vpliv LSP na mehanske lastnosti materiala ter poiskati korelacijo med parametri LSP in vnesenimi zaostalimi napetostmi.

Izvedli smo utrjevanje z laserjem z različnimi parametri (različna zaščitna prevleka, različna gostota moči, različno število prehodov, itd.) ter nato proučevali zaostale napetosti, ki so nastale na površini, ter propagacijo udarnih valov v material tako, da smo izmerili zaostale napetosti tudi na neobdelani strani vzorcev. V začetnem delu naloge smo podali teoretično ozadje problema (lastnosti in uporaba aluminijevih zlitin, delovanje LSP, merjenje zaostalih napetosti), nadaljevali smo z eksperimentalnijm delom, kjer smo izvedli LSP z razlčičnimi parametri ter merjenje zaostalih napetosti v materialu, na koncu pa smo rezultate analizirali in ovrednotili.

(17)

2

2 Teoretične osnove in pregled literature

2.1 Aluminijeve zlitine

Aluminij je kovina, ki je še konec 19. stoletja veljala za dragoceno, a je nato v manj kot sto letih postala ena najbolj uporabljanih kovin, takoj za železom, in si današnje industrije brez nje sploh ne bi mogli zamisliti. Predstavlja 8% zemeljske skorje, kar pomeni, da je najpogostejša kovina. V naravi aluminija ne najdemo v čisti obliki, ampak v spojinah z ostalimi elementi (predvsem s kisikom in silicijem), zato ga je potrebno iz teh spojin izločiti, kar pa je poglavitni razlog, da se v širši uporabi ni pojavil že prej. Pridobiva se ga iz boksita, ki ga izkopljejo iz zemeljske skorje in kemično rafinirajo, da iz njega pridobijo aluminijev oksid (Al2O3), ki ga imenujemo tudi glinica. Iz nje nato z elektrolizo izločijo aluminij, ki lahko dosega tudi do 99,9% čistočo [1].

Tako kot večino kovin se aluminija ne uporablja veliko v čistem stanju, saj so njegove mehanske lastnosti dokaj slabe (predvsem trdnost). Že z dodatkom samo enega legirnega elementa lahko močno izboljšamo nekatere mehanske lastnosti, zato se aluminij večinoma uporablja v obliki zlitin. Ker ima aluminij zelo majhno gostoto (ρ = 2,7 g/cm³pri sobni temperaturi), imajo njegove zlitine zelo dobro razmerje moč/masa. Poleg tega ima aluminij tudi zelo dobro korozijsko odpornost, električno in toplotno prevodnost, reflektivnost, preoblikovalnost itd., zaradi česar je nepogrešljiv v transportni industriji (predvsem letalstvu) ter pri pridelavi embalaže, gradbeništvu, električnih pripomočkih itd. [2].

2.1.1 Delitev aluminijevih zlitin, njihovo označevanje in toplotna stanja

Aluminijeve zlitine se prvotno delijo v dve skupini, in sicer v zlitine za gnetenje ter zlitine za vlivanje. Aluminijeve zlitine za gnetenje se označuje s sistemom štirih številk na način XXXX, kjer prva številka označuje glavni (najbolj zastopan) legirni element, prisoten v

(18)

Teoretične osnove in pregled literature

3 zlitini. Druga številka nam pove različno spremembo oziroma modifikacijo zlitine glede na prvotno (ki je označena z 0), na primer zlitina 6463 je samo modifikacija zlitine 6063. Ti dve zlitini sta si torej med sabo zelo podobni oziroma sorodni, vendar se razlikujeta v določenem deležu legirnega elementa. Zadnji dve številki služita zgolj za razločitev različnih zlitin znotraj iste skupine. Le pri seriji 1XXX zadnji dve številki povesta čistost aluminija:

na primer 1145 nam pove, da ima aluminij čistost 99,45%, medtem ko alumij 1200 pomeni, da gre za 99,00% čisti aluminij. Razvrstitev alumijevih zlitin glede na glavni legirni element in nekatere njihove značilnosti so razvidne iz preglednice 1 [2].

Preglednica 2.1: Razvrstitev aluminijevih zlitin glede na glavni legirni element in nekatere njihove lastnosti [1].

Številka

serije Primarni legirni

element Relativna

korozijska odpornost

Relativna

trdnost Toplotna

obdelava

1xxx / odlična srednja ne

2xxx baker srednja odlična da

3xxx mangan dobra srednja ne

4xxx silicij / / ne

5xxx magnezij dobra dobra ne

6xxx magnezij in silicij dobra dobra da

7xxx cink srednja odlična da

Iz preglednice 2.1 je razvidno tudi, da niso vse aluminijeve zlitine dovzetne za toplotno obdelavo. Aluminijeve zlitine skupine 1xxx, 3xxx, 4xxx in 5xxx se utrjujejo s hladnim preoblikovanjem oziroma s plastično deformacijo. Postopek se izvaja pri sobni temperaturi, kjer se s preoblikovanjem vnaša plastične deformacije v material, na primer z valjanjem, vlečenjem itd.

Pri tem se pojavijo dislokacije med zrni, prav tako pa se deformirajo tudi sama zrna, zaradi česar postanejo odpornejša na nadaljnje deformacije, kar poveča natezno trdnost materiala.

Zlitine glede na postopek obdelave v hladnem stanju označujemo tako, da za 4-mestno številko, ki pove vrsto zlitine, kot je opisano zgoraj, dodamo črko H in zraven številko od 1 do 4. Ta oznaka nam pove, kako je bila zlitina obdelana:

(19)

4 H1 – Zgolj deformacijsko utrjeno

H2 – Deformacijsko utrjeno in delno žarjeno H3 – Deformacisjko utrjeno in stabilizirano H4 – Deformacijsko utrjeno in lakirano/barvano

Druge skupine aluminija, to so skupine 2xxx, 6xxx in 7xxx, pa lahko obdelujemo oziroma utrjujemo toplotno, s čimer jim povečamo trdnost, a hkrati zmanjšamo duktilnost. Postopkov toplotne obdelave aluminija je več in so odvisni od zahtev, ki določajo aluminijevo zlitino.

Glede na toplotno obdelavo označujemo zlitine tako, da za štirimestno številko dodamo še črko T in številko, ki je odvisna od načina obdelave:

T1 - ohlajeno s povišane temperature in nato naravno starano

T2 – ohlajeno s povišane, obdelano v hladnem stanju in nato naravno starano T3 – raztopno žarjeno, obdelano v hladnem stanju in nato naravno starano T4 – raztopno žarjeno in nato naravno starano

T5 – ohlajeno s povišane temperature in nato umetno starano T6 – raztopno žarjeno in nato umetno starano

T7 – raztopno žarjeno in nato prekomerno starano

T8 – raztopno žarjeno, obdelano v hladnem stanju in nato umetno starano T9 – raztopno žarjeno, umetno starano in nato obdelano v hladnem stanju

T10 – ohlajeno s povišane temperature, obdelano v hladnemstanju in nato umetno starano V označbo se lahko doda še dodatno številko (npr. T511) ki pove, na kakšen način so bile odpravljene zaostale napetosti [2].

2.1.2 Mehanske lastnosti in uporaba aluminijevih zlitin serije 2xxx in 7xxx

Aluminijevi zlitini 2XXX in 7XXX spadata med visokotrdnostne aluminijeve zlitine, ki jih lahko toplotno obdelujemo. Zaradi sorazmerno majhne mase in dobrih mehanskih lastnosti (trdnost, odpornost na obrabo, itd.) se ju največ uporablja v letalski industriji. Že zgodaj v 20. stoletju so inženirji začeli vključevati aluminijeve zlitine, predvsem seriji 2XXX in 7XXX v letalske komponente.

Zlitine serije 2XXX kot glavni legirni element vsebujejo baker, ki pomembno vpliva na zltino, saj ji močno poveča trdnost s precipitacijskim utrjevanjem. Poleg bakra je v teh zlitinah prisoten tudi magnezij, ki izboljša in pospeši precipitacijsko utrjevanje pri sobni temperaturi. Te zlitine dosegajo trdnost do 480MPa (velja za zlitino AA2024).

Zlitine serije 7XXX spadajo med najtrdnejše aluminijeve zlitine, zato so nepogrešljive v industriji (predvsem letalski). Kot glavna legirna elementa vsebujejo cink in magnezij, kar močno izboljša njihove mehanske lastnosti kot posledica toplotne obdelave. Nekaterim podserijam se dodaja tudi baker, ki močno poveča tudi trdnost zlitini s preticipacijskim utrjevanjem. Najtrše zlitne te serije dosegajo trdnost do 580MPa [3].

Obe seriji imata visoko trdnost in, še pomembneje, zelo dobro odpornost na udarce in utrujanje, zaradi česar sta nepogrešljivi v letalskih komponentah, ki so podvržene udarcem,

(20)

5 na primer trup, krila, lopatice turbin itd. Te zlitine so tudi relativno poceni in lahke za obdelavo (v primerjavi z modernimi kompozitnimi materiali), zaradi česar so za industrijo še toliko primernejše [4].

Slika 2.1: Uporaba aluminija v letalu [4].

2.2 Lasersko udarno utrjevanje letalskih visoko- trdnostnih aluminijevih zlitin

2.2.1 Lasersko udarno utrjevanje

Lasersko udarno utrjevanje (ang. Laser Shock Peening - LSP) je metoda površinskega utrjevanja materialov, ki je namenjena izboljšanju trdnosti materiala in njegove odpornosti na utrujanje od tlačnih zaostalih napetosti, ki se formirajo na površini zaradi vpliva udarnih valov. Metodo se lahko uporablja na različnih kovinah in njihovih zlitinah, kot so recimo železo, aluminijeve zlitine, titan in titanove zlitine, superzlitine na osnovi niklja itd.

Predvsem pa se LSP uporablja v letalski industriji za utrjevanje raznih letalskih komponent, kot so lopatice turbin, diski, deli rotorjev itd., narejenih predvsem iz aluminijevih in titanovih zlitin. Zaradi tlačnih zaostalih napetosti, ki se pojavijo na površini letalskih delov po obdelavi z LSP, predvsem na lopaticah turbin, te postanejo znatno odpornejše proti razpokam in rasti le-teh, kar občutno izboljša njihovo odpornost proti udarcem.

Zametki te metode so se pojavili že leta 1963 v ZDA, ko so ugotovili zmožnost ustvarjanja udarnih valov s pulziranjem laserske svetlobe. Do leta 1968 se je postopek razvil in bil prvič

(21)

6 uporabljen v raziskovalne namene. Kasneje pa so se v raziskavo te metode vključile tudi druge države, kot so Francija, Kitajska in Japonska [5].

Lasersko udarno utrjevanje se je začelo podrobneje proučevati predvsem zaradi želje po nadomestitvi metode obstreljevanja materiala s kroglicami (ang. Shot Peening - SP). Tudi pri metodi obstreljevanja materiala s kroglicami povzročamo plastične deformacije v materialu, s čimer material utrdimo in povzročimo tlačne zaostale napetosti (slika 2.2).

Proces se izvaja s kontroliranim izstreljevanjem kovinskih ali pa keramičnih kroglic, ki material plastično deformirajo ter tako povzročijo nastanek zaostalih napetosti.

V primerjavi SP je lasersko udarno utrjevanje primernejše za obdelavo komponent s kompleksno geometrijo (na primer lukenj), saj z njim lažje kontroliramo vneseno silo in s tem deformacijo v materialu, vplivano območje (zaostale napetosti) pa lahko sega tudi do 1 mm globoko, kar je kar štirikrat globlje kot pri obstreljevanju s kroglicami. Prav tako z LSP dobimo lepšo površino, še posebej, če uporabimo postopek s prevleko, saj tako ne poškodujemo materiala na površini, zaostale napetosti pa so razporejene enakomernejše [8].

LSP pa spada tudi med ekološko najučinkovitejše postopke hladnega utrjevanje, kjer imamo najmanjšo porabo energije in materiala. Emisija delcev je skoraj nična, kar pomeni, da je postopek izredno primeren za uporabo v notranjih prostorih, sploh z vidika zdravja delavcev [7].

Kljub velikim prednostim pred ostalimi tehnikami pa je LSP še vedno dokaj neraziskan proces, prav tako pa je oprema za njegovo izvajanje veliko dražja v primerjavi z obstreljevanjem s kroglicami [5][8].

Slika 2.2: Prikaz procesa obstreljevanja materiala s kroglicami in nastanka zaostalih napetosti [9]

LSP deluje na principu izkoriščanja laserskega žarka točno določenih karakteristik, s katerim povzročimo tvorjenje plazme na površini obdelovanca, ki nato s silo v obliki udarnih valov deformira material in s tem povzroči nastanek tlačnih zaostalih napetosti. Ko laserski žarek

(22)

7 doseže površino (osnovnega materiala pri LSPwC ali pa prevleke pri LSP), material takoj upari in doseže temperaturo okoli 10.000^𝑜𝐶. Zaradi ionizacije se uparjeni material spremeni v plazmo. Ko plazma nastane, začne absorbirati lasersko svetlobo do konca trajanja laserskega pulza. Celoten obdelovanec je ponavadi potopljen v vodo ali pokrit s steklom, čemur rečemo omejitveni medij, tako da plazma nastane med obdelovancem in prosojno plastjo. Širjenje plazme se odrazi kot udarni valj, ki prodre v površino materiala, in če je moč udarnega vala večja od natezne trdnosti materiala, potem se material plastično deformira, kar povzroči nastanek zaostalih napetosti [5][10].

Slika 2.3: Shema LSP procesa [13]

Omejitveni medij, ki je ponavadi voda ali steklo, služi za okrepitev mehanske sile udarnega vala. Ko plazma nastane, omejitveni medij prepreči njeno širjenje v vse smeri ter jo usmeri proti materialu. Študije so pokazale, da je pri procesu LSP, kjer uporabimo prosojno plast, udarni val lahko tudi dvakrat močnejši, kakor če bi izvajali LSP v vakuumu (kar je alternativa oziroma se je uporabljalo na začetku razvoja laserskega udarnega utrjevanja) [11].

Zaščitna oziroma ablacijska plast, ki jo prevlečemo čez obdelovan material, služi temu, da je površina obdelovanca lepša ter da je transformacija iz tlaka v udarec učinkovitejša. Zaradi zaščitne prevleke tudi ni nikakeršnega toplotnega vpliva na površino, saj nanjo vpliva čista mehanska sila udarnih valov. Uporabimo lahko aluminijevo folijo, trak vinila, baker, cink ali pa kar črno barvo. Raziskave so pokazale, da je najučinkovitejša zaščitna plast ravno črna barva, saj le-ta absorbira skoraj 100 % energije, medtem ko jo, na premier, aluminij absorbira le 80 %. Debelina zaščitne plasti more biti zadostna, da laserski žarek ne doseže površine obdelovanega materiala, poleg tega pa ne sme biti predebela, zato da izkoristimo čim več udarne sile [10].

(23)

8 Za doseganje želenih rezultatov in čim boljšo optimatizacijo procesa laserskega udarnega utrjevanja moramo izbrati ustrezne parametre, ki so odvisni od obdelovanega materiala in od želenega poteka zaostalih napetosti, ter ustrezen laserski sistem. Običajno se uporablja trdninski laser s Q-preklopom, kot na primer ND:YAG ali pa ND:steklo laserji z močjo nekaj kilowattov. Pri laserju s Q-preklopom emitirana laserska svetloba resonira v resonatorju toliko časa, dokler ne doseže določeno mejo energije in nato zapusti laser. S tem lahko nastane tudi nekaj GW močni žarek z energijo več kot 100 J. Valovna dolžina je lahko v območu infrardeče svetlobe (1064 nm), zelene svetlobe (532 nm) ali pa ultravijolične svetlobe (355 nm). Trajanje laserskega pulza variira od 10 do 100 ns (pri LSPwC pa samo nekaj nanosekund), čeprav je tipična dolžina laserskega pulza pri LSP 30 ns. Energija pulza znaša od 1 do 100J , velikost pege (premer laserskega žarka) pa od 1 do 6 mm. Frekvenca ne sme biti večja od 1kHz, gostota moči pa je visoka do 10⁶GW/cm² [5][10].

Lasersko udarno utrjevanje lahko izvajamo v dveh različnih režimih. Prvi se izvaja z visoko gostoto energije in dolgimi pulzi laserske svetlobe, ki trajajo po več deset nanosekund in imajo gostoto energije po več deset joulov. Pri tem nastane velik termo-mehanski pulz, zaradi česar potrebujemo zaščitno plast oziroma prevleko, ki prevzame večino laserske energije in zaščiti material pred termičnimi vplivi. Pri drugem, manj pogostem režimu pa laser proizvaja kratke pulze, dolge le nekaj nanosekund, z gostoto energije manjše od 1 joula (nekaj milijoulov). Ker so pri tem režimu termo-mehanski pulzi zelo majhni, pri tem ne potrebujemo prevleke, ampak ga izvajamo brez nje in ga zato imenujemo lasersko utrjevanje brez prevleke (ang. Laser Shock Peening Without Coating - LSPwC). Kljub temu se na površini vseeno pojavijo vplivi termalnega efekta zaradi ablacije materiala [7].

Slika 2.4: 3D topografija neobdelane aluminijeve zlitine (a) ter zlitine obdelane z LSPwC (b) [7]

LSPwC je novejši postopek, saj so ga prvič izvedli šele leta 1995. Njegove glavne prednosti v primerjavi z LSP so:

- ne potrebuje zaščitne prevleke, kar pomeni da ga lahko uporabimo brez potrebne, predhodne priprave vzorca (npr. vzdrževanje jedrskega reaktorja),

- zaradi manjše energije lahko laserske pulze dovajamo preko fleksibilnih optičnih vlaken,

(24)

9 - uporabimo lahko laserje različnih energijskih nivojev,

- izboljšanje materiala na odpornost proti koroziji.

Pri LSPwC pa zaradi tega, ker laserski žarek vpliva direktno na osnovni material, dobimo bolj hrapavo površino, kar pa lahko celo predstavlja prednost glede triboloških lastnosti obdelovanca, saj majhne vdolbinice služijo kot nekakšni rezervoarji, kjer se nabira olje in maže površino med uporabo. Ta površina je seveda odvisna od velikosti laserskega snopa ter stopnje prekritja. Nezaželeno hrapavo površino lahko po LSPwC tudi naknadno obdelamo z brušenjem in poliranjem, vednar obstaja nevarnost, da bomo zgornjo plast z zaostalimi napetostmi odstranili, saj je le-ta zelo tanka (okoli 1 mm). Zato je ponavadi bolje izbrati take parametre, da poliranje ni potrebno [6][7]. Če želimo pri postopku LSPwC dobiti čim bolj gladko površino, so razne študije pokazale, da mora biti energija laserskega žarka manjša od 0,5 J, premer žarka pa naj bi bil okoli 0,8 mm. Pri uporabi laserskega žarka višje energije lahko pride do večjega nezaželenega termalnega efekta, ki negativno vpliva na nastanek zaostalih napetosti in hrapavost površine. Trajanje laserskega pulza je krajše kakor pri LSP, saj znaša manj kot 10 ns. Valovna dolžine laserske svetlobe je pri LSPwC ponavadi krajša (532 nm) saj z zmanjšanjem valovne dolžine zmanjšamo tlak udarnih valov.

Delovanje LSP in LSPwC je prikazan na sliki 2.4 [12][13].

Slika 2.5: Prikaz delovanja procesa LSP s prevleko (a); in brez prevleke (b) [12]

Gostota laserskega žarka I je pomemben parameter pri LSP postopku in jo izračunamo po enačbi:

𝐼 = ^𝑃^𝑎𝑣𝑔

𝑓∙𝑡_𝑝∙𝑎 (2.1)

kjer 𝑃_𝑎𝑣𝑔 predstavlja povprečno moč laserja, 𝑓 frekvenco laserja, 𝑡_𝑝 dolžino laserskega pulza in α temperaturni raztezek, 𝑎 pa je površina laserske pike, merjene v cm².

Prav tako je pomemben tudi tlak na površini materiala, ki ga obdelujemo z LSP-jem, saj določa, kolikšno deformacijo bomo vnesli v material in ga izračunamo po enačbi:

(25)

10 𝑃 = 𝐴 ∙ ( ^𝛼

2𝛼+3)^1/2∙ 𝑍^1/2∙ 𝐼^1/2 (2.2) kjer je A absorbcijski koeficient zaščitne prevleke, α je delež notranje energije pri prenosu toplote (pri vodi kot omejitvenem mediju je α = 0,11), Z je impedanca zmanjšanja udara med omejitvenim medijem in obdelovanim materialom, I pa je gostota laserskega žarka.

Za doseganje trajnih deformacij v materialu, mora tlak pri generaciji udarnih valov preseči število HEL, ki je odvisno od Poisonovega števila ν ter trajne dinamične trdnosti

σ

D je definiran z enačbo:

𝐻𝐸𝐿 = ^1−𝜈

1−2𝜈× 𝜎_𝐷 (2.3)

2.2.2 Lasersko udarno utrjevanje visoko-trdnostnih aluminijevih zlitin

Raziskave laserskega udarnega utrjevanja aluminijevih zlitin je možno zaslediti v številni literaturi, kjer so avtorji raziskovali vpliv tega postopka ter njegovih parametrov na utrjevanje aluminija. Pri tem so opravljali raziskave tako z ablacijsko prevleko kot tudi brez.

Za nas so zanimive raziskave na zlitinah 6xxx, saj se obnašajo podobno kot zlitine 2xxx in 7xxx.

Trdan et al. [7] so preučevali vpliv LSPwC na mehanske in tribološke lastnosti aluminijeve zlitine 6082. Pri tem so uporabili ND:YAG laser s Q preklopom z maskimalno energija laserskega žarka 2.8 J/pulz ter tremi različnimi premeri laserskega žarka (1.5, 2.0 in 2.5 mm).

Na obdelanem vzorcu so izvedli meritve topografije, zaostalih napetostim mikrotrdote ter triboloških lastnosti. Z uporabo različnih premerov laserskega žarka so ugotovili, da premer in jakost laserskega žarka (ter posledično gostota moči) ter prekrivanje laserskih peg pomembno vpliva na želeno topografijo ter obrabo, kjer z najmanjšim premerom laserskega žarka in najmanjšim prekrivanjem nastane najmanjša valovitost in hrapavost ter obratno.

Zaostale napetosti so merili tako na površini (rentgenska difrakcija) kot v globini (vrtanje luknje) in odkrili nastanek tlačnih zaostalih napetosti na površini in v globini vzorca. Hkrati pa se je izkaalo, da LSPwC nima pretiranega učinka na mikrotrdoto. Podobne študije z LSPwC so izvajali tudi Ocana [14] na pločevini iz aluminijeve zlitine 2024-T351.

V svojih raziskavah so Trdan et al. [15] na aluminijevi zlitini 6028-T651 preučevali vpliv LSPwC na nastanek ter nato njen razvoj lokalizirane korozije, predvsem na nastanek jamičaste korozije med ciklično polarizacijo v 0.6 M NaCl raztopini. Za proces LSPwC so uporabili Nd:YAG laser s premerom laserske pege 2.5 mm in gostoto moči 5.7 GW/cm². Površinske jamice so preučevali z elektornskim mikroskopom, kemično sestavo korodirane površine pa z rentgensko spektografijo. Raziskave s ciklično polarizacijo so pokazale, da se korozijski tok po obdelavi z LSPwC zmanjša za osemkrat, kar kaže na to, da lasersko utrjevanje povzroči močnejšo pasivacijo materiala, kjer na površini začnejo nastajati

(26)

11 aluminijevi oksidi, ki ščitijo pred nadaljno korozijo. Posledično se je tudi zmanjšal nastanek jamic zaradi korozije.

Slika 2.6: Nastanek jamičaste korozije na neobdelanem vzorcu pri ciklični polarizaciji (levo) ter na LSPwC obdelanem vzorcu (desno) [15]

Vnos zaostalih napetosti z LSPwC so preučevali Baptista et al. [16] na aluminijevi zlitini 2024-T3. V tej študiji so se posvetili tudi vplivu zaostalih napetosti na trajno dinamično trdnost vzorca, kjer so ugotovili, da se dinamična trdnost znatno izboljša zaradi vnesenih tlačnih zaostalih napetosti, medtem ko so se Jain et al. [17] posvetili vplivu laserske obdelave in zaostalih napetosti na površinsko morfologijo, mikrostukturo in trdoto.

Avtorji Bergant et al. [18] so v svoji raziskavi preučevali izboljšanje lomne žilavosti aluminijeve zlitine 6082-T651 po obdelavi z LSPwC ter vpliv nastalih zaostalih napetosti na nastanek ter rast razpoke kot posledice utrujanja materiala. Utrjevanje aluminijeve zlitine z laserjem brez prevleke so izvedli z Nd:YAG laserjem s Q preklopom ter tremi različnimi premeri laserske pege (1.5, 2 ter 2.5 mm). Rast razpoke so merili pri obremenitvi z majhnim bremenom ter visoko frekvenco. Njihove raziskave so pokazale, da se dinamična trdnost sicer izboljša, saj so vzorci, obdelani z LSPwC, zdržali več ciklov, vendar se rast razpoke ni upočasnila, ampak se je celo pospešila.

Trdan et al. [19] so na aluminijevi zlitini 6082-T651, obdelanim z LSPwC, preučevali spremembo mikrostrukture kot posledico udarnih valov ter pojav dislokacij. Lasersko utrjevanje so izvedli s tremi različnimi premeri laserske pege. V raziskavi so ugotovili, da zaradi dokaj majhne gostote moči toplotno vplivanega območja ni, kljub temu da ni bila uporabljena zaščitna prevleka, medtem ko se je pojavilo veliko število dislokacijskih črt, ki so povzročile refiniranje mikrostrukture.

Tudi preučevnja LSP z ablacijsko prevleko je možno zaslediti v mnogo člankih. Tako so Rubio-Gonzales et al. [20] v svoji raziskavi izvedli LSP na vzorcu iz aluminijeve zlitine 6061-T6, premazanim s črno barvo, kjer so preučevali vpliv ablacijske prevleke na potek zaostalih napetosti v primerjavi z LSPwC. V tem znanstvenem članku so prišli do odkritja, da največje zaostale napetosti nastanejo tik pod površjem, če uporabimo ablacijsko plast. Na enaki zlitini, vendar prekrito s črnim trakom, so se v svojem delu ukvarjali Saklakoglu et al.

[21], kjer so opazovali lastnosti materiala tik pod površjem vzorca po obdelavi z laserjem.

(27)

12 Preučevanja LSP z uporabo aluminijeve folije kot ablacijsko prevleko so se lotili Wang et al.[22], z namenom izboljšanja odpornosti na lezenje aluminijeve zlitine 7075. Larson et al.

[23] so postopek LSP izvedli z dvema različnima vzorcema skeniranja ter preučevali, kateri je učinkovitejši. Peyre et al. [24] pa so v svoji raziskavi preučevali vpliv različnih parametrov LSP na nastale zaostale napetosti ter posledično na trajno dinamično trdnost.

Parametri, uporabljeni v zgoraj omenjenih študijah, so podani v tabeli 2.2. Pri tem je bil v vseh študijah kot laser uporabljan Nd:YAG laser s Q preklopom, kot omejitveni medij pa je povsod uporabljena voda, saj je taka izvedba najlažja in najprimernejša.

Tabela 2.2: Parametri LSP obdelave aluminijevih zlitin sorodnih študij.

Legenda: ν – frekvenca laserskih pulzov, λ – valovna dolžina laserske svetlobe, tp – čas trajanja laserskega pulza, d – premer laserskega žarka, E – energija laserskega žarka, Qp – gostota moči laserskega pulza svetlobe

vir material laser zaščitna

prevleka omejitve-

ni medij ν [Hz] λ [nm] tp

[ns] d [mm] E

[J] I [GW/

cm²] [7] 6082 Nd:YAG s

Q

preklopom

brez voda / 1064 10 1,5 1,9 /

[14] 2024- T351

Nd:YAG s Q

preklopom

brez voda 10 1064 9 1.5 in

2.5

2.4 /

[15] 6082-

T651 Nd:YAG s Q

preklopom

brez voda 10 1064 10 2.5 2.8 5.7

[16] 2024-T3 Nd:YAG s Q

preklopom

brez voda 10 532 9 0.8 0.27 5.26

[17] 2024 Nd:YAG s Q

preklopom

brez voda 10 1064 10 / 0.35 /

[18] 6082-

T651 Nd:YAG s Q

preklopom

brez voda / 1064 10 1.5

2 in 2.5

2.8 /

[19] 6082-

T651 Nd:YAG s Q

preklopom

brez voda 10 1064 10 1.5

2 in 2.5

2.8 15.8 8.9 in 5.7 [20] 6061-T6 Nd:YAG s

Q

preklopom črna barva

voda 10 1064 8 1.5 2.5 /

[21] 6061-T6 Nd:YAG s Q

preklopom

črn trak voda 10 1064 6 1 0.75 /

[22] 7075 Nd:YAG s Q

preklopom

Al trak voda 5 1064 10 2 10 /

[23] 2024-

T351 Nd:YAG s Q

preklopom

Al trak voda / 1064 10 3 3.5 /

[24] 7075 Nd:YAG s Q

preklopom

Al trak voda / 1064 25 5-12 <80 1-8

(28)

13

2.3 Napetosti v LSP obdelanih komponentah

Glavni namen površinskega utrjevanja materiala z laserjem je vnos zaostalih napetosti na površino materiala, s čimer izboljšamo njegovo natezno trdnost, odpornost na utrujanje, trdoto, lomno žilavost, dinamično trdnost in odpornost proti koroziji.

Zaostale napetosti so tiste napetosti, ki ostanejo v materialu po tem, ko nanj prenehajo delovati vse zunanje sile. So zelo pomembne, saj se med uporabo materiala lahko združijo z ostalimi napetostmi, ki so posledica trenutnega delovanja zunanjih sil, in povzročijo lom, še preden zunanje sile dosežejo kritično napetost. Če pa v material namensko vnesemo zaostale napetosti želenih velikosti, lahko podaljšajo življenjsko dobo izdelka in njegovo odpornost na poškodbe.

Njihovo vrednotenje je zelo kompleksno, saj jih ne moremo izmeriti neposredno glede na vnesene sile in temperaturne razlike, pač pa jih lahko le izračunamo, pa še to zgolj posredno, na način, da izmerimo deformacijo zrn, na podlagi tega pa potem določimo zaostale napetosti. Kategoriziramo jih glede na razlog nastanka ( zaradi termičnega vpliva, mehanske deformacije itd.), glede na opazovano območje (mikro in makrozaostale napetosti) ali pa glede na metode, s katerimi jih merimo [33].

‐

Slika 2.7: Prikaz velikosti opazovanega območje zaostalih napetosti I. reda (σI), zaostalih napetosti II. reda (σII) in zaostalih napetosti III. reda (σIII) [21]

Makro-zaostale napetosti se merijo preko celotne dimenzije materiala, torej na večjem opazovanem območju, kjer se predpostavi, da je material homogen ter da so napetosti v nehomogeni strukturi enotne, neodvisno od mikrozaostalih napetosti. Makrozaostale napetosti označujemo tudi kot zaostale napetosti I. reda.

(29)

14 Mikro-zaostale napetosti se merijo na veliko manjšem opazovalnem območju, in sicer na mejah posameznih faz v zlitini, na mejah med zrni ter med vključki, nastanejo pa zaradi nehomogenih lastnosti med nastajanjem mikrostrukture. Delimo jih na:

‐ Mikro-zaostale napetosti II. reda: delujejo na območju velikosti enega kristalnega zrna kot posledica mikrostrukturnih premen in se spreminjajo od zrna do zrna.

‐ Mikro-zaostale napetosti III. reda: delujejo na območju znotraj zrna in se razlikujejo znotraj enega zrna kot posledica dislokacij in vključkov.

Pri procesu LSP nastanejo makro-zaostale napetosti zaradi vpliva mehanskih deformacij. Ob udarcu termo-mehanskega impulza plazme v material vnesemo silo, ki povzroči plastično deformacijo materiala, plast pod površino pa se ne deformira plastično, ampak se zaradi manjše sile deformira elastično. Ko sile prenehajo delovati na material, se del materiala, ki je bil deformiran elastično, želi vrniti nazaj v prvotno stanje, kar pa mu onemogoča plastično deformirana površina. Zaradi pritiska spodnje plasti na površino dobimo na površini tlačne zaostale napetosti, ki so zaželene, saj preprečujejo nastanek in širjenje razpok ter s tem povečujejo natezno trdnost. Na podoben način nastajajo zaostale napetosti pri termičnih deformacijah; ko se material ohlaja, se površina ohlaja tudi površina in posledično se tudi krči hitreje kakor notranjost obdelovanca, zaradi česar se notranjost deformira in začne povzročati tlačne zaostale napetosti na površino [29].

Zaostale napetosti, ki jih v material vnesemo z laserkim udarnim utrjevanjem, imajo zelo pomembno vlogo na mehanske lastnosti materiala po obdelavi, zato je zelo pomemno, kakšne parametre obdelave vzamemo, saj z njimi močno vplivamo na velikost, vrsto in globino vnesenih zaostalih napetosti. Vpliv laserskega udarnega utrjevanja lahko uravnavamo z naslednjimi parametri:

Ablacijska plast (prevleka)

Kot že omenjeno zgoraj, lahko lasersko udarno utrjevanje izvajamo s prevleko in brez nje.

Seveda moramo pri posameznem načinu uporabiti ustrezno kombinacijo pravih parametrov, če ne v material ne vnesemo zadostne količine zaostalih napetostih ali pa celo poslabšamo njegove mehanske lastnosti (na primer, če pri LSPwC uporabimo predolge in premočne pulze, pride do termičnega efekta na material, kar pa ne daje želenih rezultatov) [7].

(30)

15 Slika 2.8: Vpliv ablacijske prevleke in velikost laserske pege na površinske zaostale napetosti [10]

Prosojna (omejitvena) plast

Namen prosojne (omejitvene) plasti je, da prepreči plazmi, da absorbira lasersko energijo ter se razširi se razširi v okolico, s čimer jo usmeri proti obdelovalni površini ter jo zgosti. S tem povečamo moč udarnega vala, zaradi česar dobimo večjo plastično deformacijo in s tem večje zaostale napetosti. Masse in Barreau [30] sta preučevala vpliv LSP z in brez prosojnega medija na potek zaostalih napetosti v jeklu. Ugotovila sta (razvidno is slike 2.9), da so brez prosojnega medija na površini nastale le natezne zaostale napetosti, s prosojnim medijem pa so nastale tlačne zaostale napetosti do globine 1 mm. Najbolj uporabljen material za omejitvena plast je voda, saj nima fiksne oblike in je zato najboljša in najcenejša izbira za obdelovanje materialov, tudi tistih s komplekno geometrijo. Je pa izbira materiala omejitvene plasti odvisna od akustične impedance obdelovalnega materiala. Poleg vode se uporablja tudi steklo [11].

(31)

16 Slika 2.9: Vpliv prosojne (omejitvene) plasti na potek zaostalih napetosti v materialu [30]

Gostota moči laserja

Velikost in globina zaostalih napetosti v materialu sta odvisni od gostote moči laserske svetlobe. Z večjo gostoto laserske svetlobe dobimo večje deformacije, vendar pa moramo paziti, da ne presežemo meje, ki je odvisna od obdelovalnega materiala in še nekaterih drugih parametrov, saj lahko na ta način nastanejo mikrorazpoke, ki poslabšajo mehanske lastnosti materiala.

Pri tem veliko vlogo igra tudi čas trajanja pulza. Iz enačbe (2.1) je razvidno, da je gostota laserke moči obratno sorazmerna z dolžino trajanja pulza; torej krajši ko je pulz, večja je gostota energije (pri enaki moči laserja). S krajšimi pulzi tako dobimo večje zaostale napetosti, medtem ko z daljšimi pulzi prodremo globje v notranjost materiala [11][5].

Slika 2.10: Potek tlačnih zaostalih napetosti v odvisnosti od gostote moči laserja pri trajanju pulza (a) 2,5 ns; in (b) 25 ns [31]

(32)

17 Oblika in velikost svetlobne pege

Oblika svetlobne pege je ponavadi okrogla, čeprav lahko uporabimo tudi kvadratno.

Izbira velikosti svetlobne pege je odvisna od tega, kolikšno gostoto energije potrebujemo.

Pri uporabi manjše svetlobne pege se valovi širijo sferično, faktor dušenja pa je:

1

𝑟² (2.4) Pri uporabi večje svetlobne pege pa se valovi širijo planarno, faktor dušenja pa je:

1

𝑟 (2.5) Z uporabo manjše svetlobne pege tako dobimo bolj skoncentrirane valove in s tem večje zaostale napetosti na površini, medtem ko z uporabo večje svetlobne pege dobimo sicer manjše zaostale napetosti, vendar boljšo pokritost, prav tako pa dostikrat dobimo zaostale napetosti globje v materialu. Iz enačbe (2.1) je razvidno razmerje med velikostjo svetlobne pege in gostoto laserskega žarka [5].

Število prehodov

Pri izvajanju površinskega utrjevanja z laserjem lahko vsak pulz deluje na določeno točko na materialu samo enkrat, lahko pa tudi večkrat (multiple LSP). Pri tem laser povzroči udarni val dvakrat, trikrat itn. na isti točki na materialu (odvisno od števila prehodov). S tem v material vnesemo veliko večje deformacije kot pri enojnem pulzu. Koliko se s povečanjem števila prehodov povečajo zaostale napetosti, je odvisno od materiala.

Slika 2.11. Potek tlačnih zaostalih napetosti v odvisnosti od števila prehodov pri izvedbi LSP na aluminijevi zlitini 7075-T7351 [24]

(33)

18 Peyre et al. [24] so pri obdelavi različnih aluminijevih zlitin z različnim številom prehodov LSP ugotovili, da na litih zlitinah večje število prehodov laserskega žarka povzroči zaostale napetosti predvsem globje v materialu, na površini pa ostanejo enake, medtem ko pa so Peyre et al. [24] pri obdelavi aluminijeve zlitine 7075-T7351 ugotovili, da se s povečanjem števila prehodov iz 1 na 3 tlačne zaostale napetosti tik na površini znatno povečajo S povečanjem števila udarcev prav tako vnesemo zaostale napetosti globje v material [5].

Stopnja prekritja

Stopnja prekritja je razmerje prekrivanja točk, na katere deluje laser med izvajanjem LSP.

Stopnja prekritja je ponavadi med 40 % in 70 %. Hu at al. [32], ki so preizkušali vpliv stopnje prekritja na vzorcu jekla AISI 1045 s 50 %, 70 % in 90 % stopnjo pokritja z majhnim premerom laserske pege, so ugotovili, da se s povečanjem stopnje pokritja močno povečajo tlačne zaostale napetosti, ki prodrejo tudi globje v material. Poleg tega se tudi zelo izboljšajo tribološke lastnosti in obraba, saj z večjo stopnjo pokritja dosežemo lepšo površino [5][11].

Slika 2.12: Shema za (a) 50%; (b) 70% in (c) 90% stopnjo prekrivanja [32]

2.3.1 Merjenje zaostalih napetosti

Načinov ''merjenja'' zaostalih napetosti v materialih je veliko, vendar z nobeno od teh metod zaostalih napetosti ne merimo, temveč jih pravzaprav vrednotimo. Vrednotenje zaostalih napetosti pa delimo v tri kategorije:

‐ Porušne metode, ki temeljijo na porušitvi vzorca in posledično sprostitvi zaostalih napetosti.

‐ Polporušne metode, ki temeljijo na porušitvi vzorca in posledično sprostivi zaostalih napetosti na lokalnih (merjenih) točkah.

‐ Neporušne metode, kjer zaostale napetosti po merjenju ostanejo v materialu.

Princip vrednotenja zaostalih napetosti s porušnimi in polporušnimi metodami temlji na merjenju raztezka po porušitvi vzorca, na podlagi česar lahko ocenimo, kakšne zaostale

(34)

19 napetosti so se nahajale v materialu pred meritvijo. Primer polporušitvene metode je metoda vrtanja izvrtine. Ko izvrtamo luknjo v vzorec, kjer so prisotne zaostale napetosti, povzročimo novo razporeditev zaostalih napetosti v okolici luknje, zaradi česar se pojavijo deformacije, ki povzročijo raztezke. Te nato izmerimo z merilnimi lističi, ki jih namestimo na vzorec pred meritvijo, in nato na podlagi izmerjenih raztezkov s pomočjo enačb izračunamo zaostale napetosti. Ta metoda je zelo široko uporabljana, saj je enostavna, cenovno ugodna, uporabna za veliko vrsto različnih materialov in se lahko opravlja na terenu [34].

Slika 2.13: Merjenje zaostalih napetosti z vrtanjem luknje [35]

Pri porušitvenih metodah gre za porušitev celotnega merjenca. Pri metodi odstranjevanja površinskih plasti, ki spada pod porušitvene metode, porušimo ravnotežje sil znotraj vzorca, zaradi česar se vzorec ukrivi. Na podlagi krivulje, po kateri se vzorec deformira, lahko določimo zaostale napetosti pred porušitvijo. S temi metodami lahko merimo le makrozaostale napetosti oziroma napetosti I. reda.

Pri neporušnih metodah, kot že ime pove, merjenca ne poškodujemo in v njem ohranimo zaostale napetosti. Načinov merjenja le-teh je več, npr. z magnetnimi metodami, ultrazvočno metodo, ramanovim sipanjem itd. [28].

Difrakcijske metode so najpomembnejše in najpogosteje uporabljene metode merjenja zaostalih napetosti v materialih, ki tvorijo kristalne rešetke. Osnovni princip delovanja difrakcijskih metod je merjenje naraščanja oziroma krčenja razmakov v kristalni rešetki, ki so posledica vpliva zaostalih napetosti, kar se odraža v spremembi kotov vpadlega valovanja [37]. Difrakcijo izvajamo s tremi vrstami žarkov: z rentgenskimi žarki, s katerimi merimo napetosti na površini materiala, z elektronskimi ter z nevtronskimi žarki, s katerimi prodremo globje v material in tako lahko merimo napetosti tudi v smeri pravokotno na površino. Z difrakcijo ne merimo le makrozaostalih napetosti, temveč tudi mikrozaostale napetosti (napetosti II. reda), ki pa jih med seboj ne moremo ločiti [34][37].

Rentgenska difrakcija se izvaja z rentgenskimi žarki. Temelji na Bragovem zakonu, ki opisuje, da pri tem, ko rentgenski žarki zadenejo ob material, povzročijo dodatno gibanje elektronov in s tem sipanje valov z enako frekvenco kot vpadli valovi. Odbijajoči valovi tako tvorijo konstruktivno interferenco [38]. Braggov zakon je opisan z enačbo:

(35)

20 𝜆 = 2 𝑑_ℎ𝑘𝑙𝑠𝑖𝑛𝜃 (2.6) Kjer je dhkl medravninska razdalja v kristalni rešetki, λ je znana valovna dolžina, θ pa je difrakcijski kot. Na podlagi spremembe difrakcijskega kota (Δθ), ki je posledica spremembe razdalj med dvema kristalnima ravninama, lahko izračunamo raztezek ɛ:

ɛ_ℎ𝑘𝑙 = ^𝑑^ℎ𝑘𝑙^−𝑑^ℎ𝑘𝑙

0

𝑑_ℎ𝑘𝑙⁰ = −𝑐𝑜𝑡𝜃𝛥𝜃 (2.7) Kjer je d⁰hkl medravninska razdalja v kristalni rešetki, ko zaostale napetosti niso prisotne.

Ker pa rentgenska difrakcija temelji na spremembi difrakcijskih kotov, moramo pred merjenjem vedeti referenčni vpadni kot [37].

Slika 2.14: Odboj rentgenskih žarkov od dveh kristalnik ravnin in njun razmik [28].

Za izvajanje rentgenske difrakcije potrebujemo izvor rentgenskih žarkov ter senzor, ki zaznava difrakcijske valove. Kot med osjo, po kateri vpadajo rentgenski žarki, in osjo, po kateri se odbijajo, označujemo z grško črko theta (θ). Kot med osjo razpolovišča kota vpadlega in difrakcijskega žarka ter med normalo ravnine označimo z grško črki psi (Ψ).

Medravninsko razdaljo najprej izmerimo pod kotom Ψ=0^o, nato pa še pod različnimi koti Ψ.

Razliko med raztezkom, merjenim pri neki vrednosti Ψ, in tistim, merjenim pravokotno na merjenec, nam poda enačba:

ɛ_𝛷𝛹− ɛ_⟘= ^𝑑^𝛷𝛹^−𝑑^⟘

𝑑⟘ = ^1+𝜈

𝐸 𝜎_𝛷𝑠𝑖𝑛²𝛹 (2.8) Iz enačbe (3) lahko izračunamo medravninske razdalje v kristalnih rešetkah d, vrednosti pa

vnesemo v graf d(sin²Ψ). Pri aproksimaciji točk dobimo premico, katere naklon m je enak:

(36)

21 𝑚 =^1+𝜈

𝐸 𝜎_𝛷𝑠𝑖𝑛²𝛹 (2.9) Iz naklona lahko tako izračunamo zaostalo napetost. Temu načinu difrakcije pravimo biaksialna oz. sin²Ψ tehnika merjenja zaostalih napetosti. Njena prednost je, da s spreminjanjem kota psi ne potrebujemo referenčne vrednosti medravninskih razdalj, ko zaostale napetosti niso prisotne [37][39].

Slika 2.15: Primer krivulje d(sin2Ψ) [29]

2.4 Mehanske lastnosti LSP obdelanih zlitin

Cilj obdelave materiala s postopkom LSP je izboljšanje njegovih mehanskih lastnosti in utrujanja. Poglavitni razlog, zaradi katerega se material po LSP obdelavi obnaša bolje, so zaostale napetosti, ki so prisotne v zgornjem sloju materiala. Na tem področju so že bile izvedene številne raziskave glede utrujanja, žilavosti materiala, lezenja, obrabe, korozije itd.

Nastale zaostale napetosti ter njihov potek ter razporeditev v materialu so zelo odvisne od izbranih parametrov ter načinov izvedbe LSP, ki pa jih prilagodimo glede na material, ki ga obdelujemo. Do pomembne ugotovitve so prišli Rubio-Gonzales et al. [20], ki so preučevali vpliv prevleke na potek zaostalih napetosti v materialu. Eksperiment so izvedli na aluminijevi zlitini 6061-T6, kjer so en del prebarvali s črno barvo (prevleko), drugi del pa ne. Oba kosa vzorca so nato obdelali z LSP z enakimi parametri. Izkazalo se je, da se je vrh krivulje zaostalih napetosti (maksimum tlačnih zaostalih napetosti) premaknil bližje površini pri uporabi prevleke (nekje med 0,1 in 0,2 mm), medtem ko se je maksimum zaostalih napetosti pri vzorcu brez prevleke pojavil pri okoli 0,7 mm pod površjem (slika 2.15).

Nastanek maksimuma zaostalih napetosti toliko pod površjem pri izvedbi LSP brez prevleke

(37)

22 je posledica termičnega učinka zaradi prevelike energije laserja. Pri LSPwC moramo tako uporabiti drugačne parametre, kot če material prekrijemo s prevleko. Načeloma je bolj zaželeno imeti visoke tlačne zaostale napetosti čim bližje površini, saj je tako material odpornejši na obrabo.

Slika 2.16. Zaostale napetosti v aluminijevi zlitini 6061-T6 pri izvedbi LSP s prevleko in brez nje [20]

Zaostale napetosti prav tako pomembno vplivajo na nastanek razpoke in njeno nadaljno rast med utrujanjem. Tlačne zaostale napetosti, ki se nahajajo na površini, namreč ''stiskajo'' material skupaj, in s tem preprečujejo, da bi na površini nastala razpoka in se širila. Peyre et al. [24] so raziskovali vpliv LSP in SP na dinamično trdnost aluminijeve zlitine 7075-T7351 in ugotovili, da se je na vzorcu, ki je bil obdelan z LSP, število ciklov pri utrujanju, preden je začela nastajati razpoka, povečalo kar za 7-krat v primerjavi z neobdelanim vzorcem, med tem, ko se je nadaljna rast razpoke povečala le za 3-krat (slika 2.17a). Pri vzorcu, obdelanim s SP, sta se obe fazi (tako nastanek kot nadaljna rast razpoke) v primerjavi z osnovnim materialom povečali le za faktor 3. To razliko med SP in LSP si razlagamo s tem, da pri obstreljevanju s kroglicami nastane bolj groba in hrapava površina, kjer ima razpoka boljše pogoje za nastanek [10]. Poleg tega so v isti raziskavi ugotovili, da se je dinamična trdnost zaradi LSP obdelave izboljšala za več kot 22 % (slika 2.17b). Izkazalo se je tudi, da se pri LSP dinamična trdnost poveča bolj kakor pa pri SP, zaradi tega, ker so zasotale napetosti v materialu v primerui LSP večje in globje, poleg tega pa je površina manj hrapava.

(38)

23 Slika 2.17: (a) primerjava med številom ciklov, ki so jih preživeli vzorci pred porušitvijo.

(b) σmax –N krivulje za LSP obdelan, SP obdelan in neobdelan vzorec [10]

Obdelovanje aluminijevih zlitin tudi pomembno vpliva na mikrostrukturo ter na pojav dislokacij v materialu kot posledica deformacij zaradi udarnih valov. Vpliv LSPwC na mikrostrukturo aluminijeve zlitine 6082-T651so preučevali Trdan et al. [19], kjer sprva z optičnim mikroskopim niso opazili velikih razlik v mikrostrokturi (torej ni prišlo do toplotno vplivanega območja), optični mikroskop z uporabo polarizirane svetlobe pa je pokazal, da so v sredini vzorca (v globini) zrna podolgovata in usmerjena, kar je posledica predhodnega valjanja aluminijeve zlitine, medtem ko so zrna na površini manjša in bolj anizotropna, kar pa je posledica statične rekristalizacije med žarjenjem.. So pa raziskave pod elektronskim mikroskopom pokazale veliko vsebnost dislokacij v aluminijevi zlitini, ki povzročajo zelo majhna zrna oz. nanozrna. Udarni valovi namreč povzoročijo nastanek dislokacije mikrosturkturi, čemur rečemo dislokacijske črte. Zaradi nadaljnih deformacij in raztezkov nastane kompleksna struktura dislokacijskih črt do pojava nano zrn.

Slika 2.18: (a) Mikrostruktura vzorca obdelanega z LSPwC (8.9 GW/cm2). (b) povečava pod površjem, mikrostruktura s podolgovatimi zrni in (c) povečava mikrostrukture tik na površju z

manjšimi in bolj okroglimi zrni [19]

(39)

24 Večje deformacije povzročijo pretvorbo dislociranih zrn v manjša zrna, s čimer lahko pojasnimo nastanek večjih zaostalih napetosti na površini pri uporabi večje gostote laserske moči, saj s tem povzorčimo večje deformacije na površini, medtem ko pri uporabi manjše gostote moči deformacije prodrejo globje v material.

Larson et al. [23] je tudi preučeval vpliv LSP na utrujanje, in sicer na aluminijevi zlitini 2024-T351. Ugotovil je, da se dinamična trdnost (fatigue life) izboljša tudi za 93 %. Po razrezu vzorca in preučevanju z vrstičnim elektronskim mikroskopom je ugotovil, da se pri neobdelanem vzorcu razpoka začne pojavljati v zgornjem sloju vzorca na vogalu, kjer so napetosti najbolj skoncentrirane, medtem ko se je razpoka pri LSP obdelanem vzorca začela pojavljati tik pod zgornjim slojem vzorca, kjer so zbrane zaostale napetosti, zaradi česar se razpoka pojavi kasneje in je njena nadaljnja rast počasejša.

Slika 2.19: Prikaz pojava in rasti razpoke v neobdelanem vzorcu (levo) ter v vzorcu, obdelanem z LSP (desno) [23]

LSP tudi pomemno vpliva na obrabo materiala, kar je pri aluminijevih zlitinah, ki so načeloma duktilni materiali, zelo pomembno. Trdan et al. [7] so raziskovali vpliv laserksega utrjevanja (LSPwC) na obrabo aluminijeve zlitine 6082-T651 in ugotovili, da se je obraba zmanjšala za 29%. Eden od razlogov za to je bila bolj hrapava površina, zaradi česar se je zmanjšal koeficient trenja, prav tako pa sta se zmanjšali tudi stopnji adhezije in abrazije, ki sta glavna faktorja mehanizma obrabe.

(40)

25 Slika 2.20: (a) 3D topografija neobdelanega vzorca, (b) 2D slika po vikofrekvenčnem filtriranju z

označinimi linajmi merjenja in (c) topografski liniji profila [7]

Na sliki 2.20 je tudi razvidno, da je pred obdelavo z LSP hrapavost površina bila dokaj homogena, saj sta si krivulji hrapavosti pod kotom 0°(desno) in pod kotom 45°(levo) glede na opazovano os zelo podobni, medtem ko je površina na vzorcu, obdelanem z LSPwC že bolj nehomogena. Na sliki 2.21 (c) se vidi razlika v hrapavosti pod različnimi opazovanimi koti (desno 0°in levo 45°). V longitudinalni smeri (0°) je tako hrapavost v tem primeru večja tudi za 43% v primerjavi s smerjo pod kotom 45°.

Na hrapavost (ter predvsem na valovitost) najbolj vplivamo z izbiro premera laserskega žarka pri LSP obdelavi, kjer z večjim premerom dosežemo večjo hrapavost in valovitost [7].

Sl

Slika 2.21: (a) 3D topografija LSPwC obdelanega vzorca, (b) 2D slika po vikofrekvenčnem filtriranju z označinimi linajmi merjenja in (c) topografski liniji profila [7]