ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ ФОРМУВАННЯ ПЕРІОДИЧНИХ МІКРОСТРУКТУР ТИПУ «ЛУСКА РИБИ» НА ПОВЕРХНІ НЕРЖАВІЮЧОЇ СТАЛІ 12Х18Н10Т НАНОСЕКУНДНИМ ЛАЗЕРНИМ ОПРМІНЕННЯМ
DOI:
https://doi.org/10.20998/2413-4295.2025.01.02Ключові слова:
лазерне опромінення, мікроструктура, абляція, теплопровідність, чисельне моделювання, поверхнева обробка, нержавіюча стальАнотація
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. Встановлено, що зміна параметрів сканування, таких як крок між імпульсами та швидкість обробки, дозволяє керувати морфологією та періодичністю отриманих структур. Виявлено, що мікрорельєф поверхні має характерний профіль, близький до Гаусового розподілу інтенсивності лазерного випромінювання. Результати дослідження підтверджують можливість використання лазерної мікротекстуризації для модифікації експлуатаційних характеристик металевих поверхонь, що може бути застосовано в авіаційному, автомобільному, медичному та енергетичному машинобудуванні. Отримані дані можуть слугувати основою для подальшої оптимізації процесів лазерного мікротекстурування та розробки нових технологій поверхневої обробки матеріалів.
Посилання
Wang Y., Zhang Z., Xu J., Yu H. One-step method using laser for large-scale preparation of bionic superhydrophobic & drag-reducing fish-scale surface. Surf. Coat. Technol., 2020, no. 126801, doi:10.1016/j.surfcoat.2020.126801.
Müller F. A., Kunz C., Gräf S. Bio-Inspired Functional Surfaces Based on Laser-Induced Periodic Surface Structures. Materials, 2016, no. 9(6), pp. 476, doi:10.3390/ma9060476.
Yao L., Huang S., Xiao Z. M. On the formation of "Fish-scale" morphology with curved grain interfacial microstructures during selective laser melting of dissimilar alloys. Acta Materialia, 2021, 220, pp. 117331, doi:10.1016/j.actamat.2021.117331.
Chen D., Zhang B., Zhang H., Shangguan Z., Sun C., Cui X., Liu X., Zhao Z., Liu G., Chen H. Laser Ablating Biomimetic Periodic Array Fish Scale Surface for Drag Reduction. Biomimetics, 2024, no. 9(7), pp. 415, doi:10.3390/biomimetics9070415.
Wu X., Wang Y., Xu J., Yu H. Study on surface fabrication and drag reduction performance of the bionic fish-scale composite structure. J. Phys.: Conf. Ser., 2023, no. 2499, pp. 012005, doi:10.1088/1742-6596/2499/1/012005.
Wu L., Jiao Z., Song Y. et al. Experimental investigations on drag-reduction characteristics of bionic surface with water-trapping microstructures of fish scales. Sci. Rep., 2018, no. 8, pp. 12186, doi:10.1038/s41598-018-30490-x.
Guo L., Liu Y., Ma L. et al. A review of drag reduction technology inspired from biomimetic surfaces and functions. Friction, 2025, no. 13, pp. 3, doi:10.26599/FRICT.2025.9440876.
Yu A., Fu Y., Xie S. et al. Biomimetic interfaces for drag reduction: From mechanism to applications. Friction, 2025, no. 13, pp. 3, doi:10.26599/FRICT.2025.9440900.
Afanasieva O. V., Lalazarova N. O., Fedorenko Ye. P. Lazerna poverkhneva obrobka materialiv [Laser surface treatment of materials]. Kharkiv, 2020, 100 p.
Kovalenko V. S., Holovko L. F., Chernenko V. S. Zmitsnennia ta lehuvannia detalei mashyn promenem lazera [Strengthening and alloying of machine parts with a laser beam]. Kyiv. Tekhnika, 1990, 190 p.
Holovko L. F., Luk’ianenko S. O. Lazerni tekhnolohii ta komp’iuterne modeliuvannia: monohrafiia [Laser technologies and computer modeling: a monograph]. Kyiv. Vistka, 2009, 296 p.
Holovko L. F., Luk’ianenko S. O., Mykhailova I. Yu., Tretiak V. A. Komp’iuterne modeliuvannia u lazernykh tekhnolohiiakh: monohrafiia [Computer modeling in laser technologies: a monograph]. Kyiv. VPP «Tekst», 2015, 236p.
Steen W. M., Mazumder J. Laser Material Processing. Springer London, 2010. doi:10.1007/978-1-84996-062-5.
Dobrotvorskiy S., Gnilitskyi I. M., Aleksenko B. A., Basova Y., Zawadzki P., Kościński M. Influence of stainless steel surface roughness parameters on the degree of its blackening during femtosecond laser processing. Results in Surfaces and Interfaces, 2025, vol. 18, pp. 100390, doi:10.1016/j.rsurfi.2024.100390.
Zawadzki P., Dobrotvorskiy S., Aleksenko B., Talar R. Effect of nanosecond laser texturization on tribological behavior of AISI 321 stainless steel. Materials, 2024, vol. 17, pp. 5870, doi:10.3390/ma17235870.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Журнал публікує статті згідно з ліцензією Creative Commons Attribution International CC-BY.
