автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Разработка и исследование процесса бесконтактно-управляемой лазерной абляции слоистых материалов

На правах рукописи

Мелюков Дмитрий Валерьевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА БЕСКОНТАКТНО-УПРАВЛЯЕМОЙ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ СЛОИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность:

05.02.07 - Технологии и оборудование механической и физико-технической

обработки

АВТОРЕФЕРАТ 005019257

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 ДПР Ш

Москва-2012

005019257

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана

Научный руководитель: Григорьянц Александр Григорьевич

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Ямпольский Виктор Модестович

доктор технических наук, профессор,

Московский государственный

университет приборостроения и информатики,

зав. каф. «Информационное обеспечение технологий соединения материалов».

Денисов Владимир Николаевич

кандидат технических наук,

ОАО «Композит»

Федерального космического агентства,

главный научный сотрудник

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие «Научно-производственный

центр газотурбостроения «САЛЮТ»

Защита диссертации состоится »/ JAX^qJ 2012 года на заседании

диссертационного совета Д 212.141.06 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5. Телефон для справок: (499) 267-09-63.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан « апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А /1 Михайлов В.П.

д.т.н., доц.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Очистка поверхностей востребована практических во всех отраслях современной промышленности. В настоящее время массово используется ряд химических, физических и физико-химических технологий, которые успешно выполняют свои задачи в этой области. Однако там, где появляется необходимость делать это прецизионно, традиционные технологии не всегда способны обеспечить требуемые характеристики процесса. Кроме этого, контактный характер и наличие материального реагента в этих способах повышают опасность работы персонала и увеличивают сложность технологии утилизации отходов в случае использования в агрессивных средах и для очистки небезопасных материалов, в первую очередь радиоактивных.

Лазерная абляция представляется в этом ключе качественно более эффективной альтернативой ввиду полностью бесконтактного и дистанционного характера воздействия, а также из-за возможности осуществлять обработку с недостижимыми для других способов точностью и гибкостью. Помимо прочего, компактность, надежность, неприхотливость в обслуживании и эксплуатации, а также возрастающий КПД современных лазеров, дают основание предполагать высокий промышленный потенциал этого способа очистки.

Тем не менее, для полной реализации потенциала управляемой и бесконтактной очистки с помощью лазера требуется дополнить этот процесс соответствующим инструментом контроля и обратной связи. С этой целью в настоящей работе предлагается совместить лазерную абляцию и тепловую диагностику, основанную также на нагреве посредством лазера и регистрации теплового излучения фотодетектором.

Таким образом, разработка способа контролируемой очистки поверхности с абсолютным отсутствием физического контакта и с возможным применением сквозь материальные ограничители (технологические окна, иллюминаторы и проч.) является актуальной научно-технической задачей.

Целью диссертационной работы является разработка бесконтактно-управляемого процесса лазерной абляции поверхностных слоев на основе анализа данных изменения толщины слоя, получаемых с помощью неразрушающей тепловой диагностики.

Для достижения поставленной цели был поставлен ряд задач:

1. Разработать методику измерения толщины слоя, не требующую определения характеристик материала.

2. Разработать методики и технологические карты выбора и корректировки режимов лазерной абляции на основе данных теплового контроля.

3. Изготовить экспериментальную установку бесконтактно-управляемой лазерной абляции.

4. Исследовать разработанные методики на образцах с толщинами слоев в рамках теоретических моделей, выполненных из различных материалов.

5. Оценить область применения и ограничения разрабатываемой технологии.

При этом важно отметить, что при разработке теоретической методики решалась задача исключения из процесса управления сложных математических расчетов физических моделей лазерной абляции и определения необходимых для этих расчетов, теплофизических, оптических и иных характеристик материала.

Методы исследования. В теоретической части работы использовался аппарат математического моделирования и параметрического анализа процесса тепловой диагностики, включающий в себя теорию тепловых квадруполей и коэффициенты чувствительности. Математический анализ реализовывался с помощью численных расчетов в программном пакете MathCAD.

В экспериментальной части были проведены испытания лазерной абляции и тепловой диагностики на различных образцах с контролем результатов независимыми методами измерений. Лазерная абляция осуществлялась на двух установках зарубежного и отечественного производства. Первая из них включала в себя волоконный лазер IPG YPL-1/120/20 (Германия) номинальной мощности излучения 20 Вт, с длительностью импульсов 120 не (по уровню 50% от максимума) и частотой следования 20 кГц, сфокусированного в пятно диаметром 106 мкм (по уровню 1/е в фокусе) на поверхности образца. Вторая установка была оснащена твердотельным лазером DPSSL-50S (Россия) мощностью 18 Вт, частотой следования импульсов 5-30 кГц и длительностью порядка 80 не, сфокусированного в пятно диаметром 50 мкм, что повышает энергетику импульса в несколько раз по сравнению с первой установкой. Для тепловой диагностики использовался волоконный лазер IPG YLR-100 (Германия) с модулируемой выходной мощностью до 100 Вт и частотой модуляции до 10 кГц и охлаждаемый инфракрасный детектор VIGO PVMI-3TE-10.6 (Польша) с постоянной времени 7 не. Независимая оценка результатов обработки осуществлялась с помощью измерения глубины абляции механическим профилометром, а также измерения электрического сопротивления аблируемого диэлектрического покрытия на металлической подложке.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Установлено, что совмещение лазерной абляции с тепловой диагностикой, позволяет корректировать режим воздействия на основании измерений абсолютной толщины однородного

изотропного слоя и ее фактического относительного изменения в процессе обработки без непосредственного учета теплофизических характеристик материала и физических механизмов его удаления.

2. Показано, что тепловые отклики от двух различных источников нагрева зависят от разных сочетаний неизвестных теплофизических параметров, что позволяет при их комбинации исключить из расчетов все параметры, кроме толщины слоя. Таким образом, разработанная расчётная методика тепловой диагностики, дает возможность вычислять абсолютную толщину однородного изотропного слоя без определения его теплофизических характеристик и характеристик подложки.

Практическую значимость составляют следующие результаты:

1. Разработана технология бесконтактно-управляемой лазерной абляции, позволяющая осуществлять контролируемое удаление с точностью 10-15 % слоя (покрытия) с неизвестными теплофизическими характеристиками. С помощью этой технологии возможна абляция слоев толщиной до 5 мм, выполненных из различных материалов (сталь, графит, керамика);

2. Данная технология не требует никаких дополнительных измерений характеристик материала, кроме осуществляемых в процессе тепловой диагностики. Также не требуется сложное и ресурсоемкое численное моделирование физических процессов лазерной абляции;

3. Предложены технологические карты для однородного и неоднородного слоя. В случае однородного слоя разработаны методики количественного расчета режимов абляции для удаления слоя или его заданной части, а в случае неоднородного слоя имеется возможность качественно оценить протекание процесса очистки и однозначно определить полное удаление слоя.

Достоверность полученных результатов обеспечена корректным использованием общих положений фундаментальных наук, проверена по известным критериям изучаемых процессов, подтверждена экспериментальными данными и независимыми измерениями.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных научных форумах и конференциях:

- 10th Quantitative Infrared Thermography International Conference, 27-30

июля, 2010, Квебек, Канада;

- EFDA JET annual meeting, июнь 2010, Сакле, Франция.

Материалы исследований неоднократно представлялись на научных семинарах кафедры «Лазерные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н.Э. Баумана и Национальной инженерной школы Сент-Этьенна (ENISE) во Франции в период с 2008 по 2011 гг.

Публикации по теме диссертации. Основное содержание диссертации отражено в 5 научных статьях, из них 3 статьи в журналах из перечня ВАК и 2 статьи международных научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 70 наименований. Диссертация изложена на 140 страницах, содержит 65 рисунков и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 изложено современное состояние технологий очистки ответственных конструкций в промышленности. Рассмотрены традиционные способы очистки: химические, электрохимические, физические -применительно к наиболее технологичной области - атомной промышленности, и более подробно - способ лазерной абляции.

В основе метода химической очистки лежит применение концентрированных или разведенных химических реагентов в контакте с загрязненной поверхностью. Удаление загрязнения происходит путем растворения поверхностного слоя и части основного материала. Преимуществом метода химической очистки является его применимость к большим по площади поверхностям, в том числе сложной геометрической формы. Главным недостатком химической очистки является образование большого количества второстепенных жидких отходов, представляющих собой продукты реакции кислоты с поверхностью.

Электрохимическая очистка (ЭХО) может быть рассмотрена как химическая очистка с применением электрического тока. Различают два способа ЭХО: помещение загрязненной детали в ванну с электролитом и обкладкой электролитическим материалом очищаемой поверхности. По сравнению с химической очисткой следует отметить более высокую скорость очистки и меньший уровень второстепенных отходов, однако, при этом невозможность удаления материалов изоляторов и ограниченность геометрии.

Под понятием физическая очистка понимается группа способов удаления загрязнения механическим или ручным воздействием. Такие способы включают в себя: ультразвуковую ванну; воздействие струей замороженных частиц С02; воздействие струей воды под давлением; очистка абразивом в сухой или жидкой среде; механическое воздействие

шлифованием, полированием, мытьем; деламинация поверхностного загрязнения; мытье с помощью пен и гелей. Данные виды обработки обладают каждый рядом своих преимуществ, обусловленных природой устранения загрязнения, однако все имеют в своей основе, как и предыдущие группы способов, контакт материальных частиц с поверхностью. Так, ультразвук применяется для загрязнений, имеющих слабую адгезию с подложкой, и часто применяется как дополнительный к химической или электрохимической очистке. Применение пеллет С02 единственный из перечисленных способов, который практически не создает вторичных отходов, но обладает низкой эффективностью в отношении глубоких загрязнений и высоким уровнем шума. Очистка методом воздействия струи воды под давлением используется для предварительной очистки, очистки инструмента и больших по площади поверхностей (стены, пол). Деламинационный метод интересен отсутствием жидких и газообразных отходов, быстротой нанесения и удаления загрязнения и возможностью очистки деталей сложных геометрических форм. Пенный метод позволяет экономить количество реагентов, одновременно уменьшая объем вторичных отходов, но зачастую требует многократного применения.

Основным преимуществом лазера относительно других методов очистки поверхности является полное отсутствие материальных частиц в качестве средства, удаляющего загрязнение. Кроме того, возможность применения лазера в обычной атмосфере на достаточно больших расстояниях и высокая степень автоматизации процесса делает такой инновационный инструмент крайне востребованным в условиях обработки в агрессивных и опасных средах. Продукты абляции находятся в твердом состоянии, что упрощает процесс их компактирования, возможно внедрение в процесс очистки автоматизации, обеспечивающей снижение риска обслуживающего персонала в агрессивных средах и при обработке опасных загрязнений, а также реализуемо использование волоконной оптики, позволяющей в ряде случаев проводить абляцию замкнутых полостей и труднодоступных объемов без их разрушения.

Количество импульсов Плотность энергии, Дж/смг

Рис. 1. Зависимости глубины лазерной абляции от количества импульсов и

плотности энергии

Далее в главе 1 приводится краткий обзор физических механизмов и экспериментальных результатов по теме лазерной абляции, и подчеркивается, что в большинстве случаев эта технология носит пороговый характер эффективности относительно энергетического вклада, а также линейную зависимость от количества проходов.

Исходя из анализа, заключается, что лазерная абляция обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами, особенно в случаях прецизионной обработки и очистки в агрессивных средах.

Глава 2 посвящена обзору методов неразрушающей диагностики с целью их внедрения в качестве инструмента обратной связи для процесса лазерной абляции. Предварительный анализ показывает, что наибольшее соответствие требованиям бесконтактности и исследованию требуемых толщин представляет тепловая диагностика, основанная на нагреве лазерным лучом и измерении температурного отклика путем регистрации теплового излучения. Такая методика также называется фототермической.

Подробно рассматривается феномен теплового излучения, излагается теоретическая сторона вопроса, практические аспекты измерения температуры с помощью закона Планка и варианты исключения оптических характеристик поверхности для решения этой задачи. Предлагается измерение фазы теплового сигнала в процессе модулированного нагрева, как параметра, зависящего только от тепловых характеристик тела, и независимого от мощности нагрева и коэффициентов поглощения-отражения поверхности.

Далее излагаются основополагающие для тепловой диагностики понятия тепловых «волн» и теплового импеданса, а также методики, позволяющие определять тепловые характеристики тела путем анализа этих феноменов при различных условиях.

К критериям классификации условий проведения фототермических методик относится тип нагрева в зависимости от времени: импульсный, ступенчатый, импульсно-периодический и модулированный. Поскольку тепловая природа для всех этих методик остается одинаковой, то с практической точки зрения разница заключается лишь в скорости и точности измерений. Так, к примеру, импульсная методика рассматривает тепловой сигнал с поверхности тела, нагретого одним коротким импульсом, что позволяет запустить в теле тепловые «волны» всех частот и тем самым получить информацию о всей доступной глубине образца. Однако слабый уровень сигнала на позднем этапе измерений требует высокой точности детектирования, что снижает общую точность импульсной методики по сравнению с другими при прочих равных характеристиках оборудования. С другой стороны, периодический сигнал каждой частоты, используемый в

модулированных методах, позволяет устранить помехи путем более длительных измерений каждой гармоники и таким образом повышает точность получаемых результатов.

Проанализированные литературные данные показывают, что современные методы позволяют измерять теплопроводность, температуропроводность, тепловую эффузию, толщину слоя. Однако общим слабым местом всех разработанных на данный момент методик теплового контроля является то, что для определения всех характеристик слоя (теплопроводность, теплоемкость, толщина) требуется знать хотя бы одну из них заранее. То есть, измерение толщины слоя с абсолютно неизвестными тепловыми характеристиками невозможно.

Таким образом, делается вывод, что тепловая диагностика принципиально способна стать технологией контроля лазерной абляции, однако для этого требует разработки теоретических методов, дающих возможность измерять толщину слоя более независимо от тепловых параметров материала.

В главе 3 исследуются математические модели тепловой диагностики, и проводится их глубокий параметрический анализ с целью разработки описанных выше методик.

Разработанная автором модель для одномерного теплопереноса в слое на подложке сравнивается с взятой из литературы математической моделью для такой же системы с двумерным распространением тепла, вызванным конечным размером пятна нагрева.

Л

ЩС-

Т(0,0) /^т

г

і

Рис. 2. Схема двумерной теоретической тепловой модели

На рис 2. представлена схема двумерной теоретической модели слоя с толщиной Л, теплопроводностью кс и объемной теплоемкостью ссрс на

поверхности полубесконечной однородной изотропной подложки с теплопроводностью кп и объемной теплоемкостью спрп нагреваемую источником с частотой модуляции мощности / имеющим гауссовый профиль радиуса г0 (по уровню 1/е) на поверхности, объемным поглощением с экспоненциальным затуханием по глубине с коэффициентом а. Контакт между слоем и подложкой представлен в виде теплового сопротивления Я.

Известно аналитическое решение для комплексной амплитуды температуры поверхности в центре лазерного пятна такой системы, из

которого можно найти выражение теплового импеданса:

—

/с,.О { К

1 « кск, 1 к,)

(1)

где:

Схематичное изображение одномерной модели приведено на рис. 3:

А . К

(2)

Рис. 3. Схема одномерной теоретической тепловой модели

Данная система аналогична описанной выше двумерной модели с той лишь разницей, что нагрев осуществляется равномерно распределенным поверхностным источником.

С помощью теории тепловых квадруполей находится выражение для комплексной температуры на поверхности слоя и из него выражение теплового импеданса:

1

где /3^ — , /32=Я-ЬС и Д = сРс , Ъс и Ьп - тепловые эффузии слоя и

ъп ЪС

подложки соответственно.

Как видно одномерная модель, являющая частным случаем двумерной модели, представлена более простым аналитическим выражением (3), в котором можно выделить определенные группы параметров Д-/?3. В то время, как двумерная модель (1)-(2) не позволяет так легко вычленить подобные зависимости. Поэтому далее приводится совместный анализ этих двух моделей.

С помощью коэффициентов чувствительности осуществляется анализ теплового импеданса, рассчитываемого при помощи выражений (1)-(3). Результатом такого анализа является определение методики измерения абсолютной толщины однородного изотопного слоя без необходимости знания каких-либо его тепловых параметров. Данная методика основана на применении двух различных типов нагрева, которые дают тепловые отклики, зависящие от разных групп параметров и их комбинация позволяет исключить все неизвестные параметры из расчетов. Схематичное изображение методики представлено на рис. 4:

Свойства слоя

Ъс = Д -Ъп СсРс=Ьс,-1"с

г0»Д г0«й

Одномерная теплопередача Трехмерная теплопередача

Рис. 4. Алгоритм определения параметров слоя

Совместно с независимостью фазы теплового импеданса от оптических характеристик, это означает, что предлагаемая методика позволяет бесконтактно и дистанционно измерять абсолютную толщину абсолютно неизвестного однородного слоя на неизвестной подложке. Однако, применимость данной методики ограничена возможностью фокусировки лазера, и составляет величины толщин слоев от нескольких десятков микрометров до нескольких миллиметров.

Для измерения относительной толщины слоя также выполнен анализ моделей (1)-(3), один из примеров которого приведен на рис. 5.

Фаза,"

Частота нагрева, Гц

Рис. 5. Фазо-частотная диаграмма для различных толщин слоя тантала на подложке из нержавеющей стали. Радиус лазерного пучка 10 мм

Как видно, смещение фазочастотной характеристики (ФЧХ) происходит пропорционально толщине слоя. При этом форма кривой в области одномерной теплопередачи (сплошная линия, совпадающая с пунктиром) остается одинаковой для всех толщин. Из выражения (3) можно вывести, что смещение ФЧХ пропорционально квадрату толщины слоя. Это обстоятельство позволяет рассчитывать по смещению ФЧХ как изменилась толщина слоя с неизвестными параметрами относительно начального значения, то есть какая часть слоя была удалена и таким образом дает возможность скорректировать режим лазерной абляции чтобы удалить весь слой. Данная методика, в отличие от предыдущей, не ограничивает теоретически толщину слоя.

В любом случае полное удаление слоя возможно определить с помощью тепловой диагностики, когда ФЧХ представлена в виде линии со значением фазы -45°.

В главе 4 обосновывается выбор экспериментального оборудования, описанного в разделе методы исследования. Основными критериями для выбора узлов установки лазерной абляции является получение необходимой плотности мощности 107-108 Вт/см2, а для установки тепловой диагностики -пространственное и временное разрешение, максимальная температура нагрева и обеспечение поверхностного характера нагрева.

Приводится краткий обзор существующих источников нагрева и детекторов теплового излучения.

Общий вид установок приведен на рис. 6:

Рис. 6. Общий вид установок лазерной абляции (вверху) и тепловой диагностики (внизу).

Глава 5 посвящена экспериментальным результатам, основанным на методиках, разработанных в главе 3 и реализуемых на оборудовании главы 4.

Предварительно осуществляется проверка работоспособности установки на однородном образце.

Далее исследуется бесконтактно-управляемая абляция на образцах из листовой стали, образцах, имитирующих поверхность камеры термоядерного реактора, окисленной поверхности и лопатки турбины реактивного двигателя. Во всех случаях подтверждается возможность определить полное удаление слоя с помощью тепловой диагностики и практически во всех случаях отследить динамику лазерной абляции. Когда обрабатываемый слой однородный, можно также количественно рассчитать необходимое количество проходов для полного его удаления. На рис. 7 приведен пример тепловой диагностики лазерной абляции листовой стали:

Частота нагрева, Гц

Рис. 7. ФЧХ аблированных зон листа стали: 1 - 0 проходов, 2-20 проходов, 3-30 проходов

Как было отмечено в главе 3, смещение ФЧХ пропорционально квадрату толщины, что дает возможность по разнице между толщинами для разного количества проходов экстраполировать его до момента полного удаления слоя.

Особое внимание уделяется очистке термобарьерного покрытия лопатки турбины реактивного двигателя. Применение лазера в этом случае обусловлено необходимостью прецизионной обработки. Для изготовления охлаждающих отверстий диаметром 1 мм, повышающих надежность работы детали, применяется технология электроэрозионной обработки, которая, однако, не способна производиться на диэлектрических материалах, коим

является керамическое термобарьерное покрытие. Нанесение покрытия после обработки может изменить аэродинамику отверстий. Поэтому оптимальным вариантном является нанесение покрытия и подготовка зон электроэрозионной обработки способом очистки, не зависящим от электрических характеристик материала. В данном случае лазер практически не имеет альтернативы.

Рис. 8. Внешний вид зон (1-5) лазерной абляции лопатки турбины реактивного двигателя

В данном случае применение бесконтактной диагностики не является необходимым, однако позволяет отработать в целом разрабатываемую технологию. Тем не менее, было показано, что в процессе очистки может возникнуть ситуация, когда визуально поверхность кажется очищенной, а тепловая диагностика и независимые измерения электрического сопротивления говорят о наличии неудаленного слоя. Таким образом, подтверждается правильность выбора способа контроля лазерной абляции.

І І I 1 -н- || 1 і і НІ ! | \ 1

1 ІІ м 11 1

4 ... - -и- 1 1 ||| 1III і 1

11 ! і і і і т

-Без покрытия -♦-Зона 0 і і г 1 і 1! і

і " 1 I 1 І і! 1 1 НІ! II

і ю 100 юоо юооо

Частота нагрева, Гц

Рис. 9. ФЧХ очищенной зоны и обратной стороны подложки

Рис. 9 представляет сравнение тепловой диагностики конечного состояния зоны лазерной абляции керамического покрытия и обратной поверхности подложки без покрытия. Совпадение ФЧХ свидетельствует об одинаковых характеристиках поверхностей, а, следовательно, о полном удалении слоя.

Глава 6 обобщает результаты, полученные в теоретической и экспериментальной частях диссертации и на основе их синтеза формулирует последовательность операций технологии бесконтактно-управляемой лазерной абляции для двух типов обрабатываемых поверхностей: с однородным слоем и неоднородным слоем. Представлены технологические карты соответствующих процессов.

Также обсуждается область применения разработанной технологии и ее возможности. Для разработанной экспериментальной установки возможна обработка слоев практически из любого материала с толщиной от микрометров до миллиметров, на расстоянии порядка десяти сантиметров и поверхностным разрешением 5 мм.

С целью применения данной технологии в промышленных масштабах отмечается, что целесообразно перейти от точечной тепловой диагностики к поверхностной (распределенной) с помощью инфракрасных камер, основанных на матрице фотодетекторов. Таким образом, это позволит не только корректировать режим лазерной абляции сразу на некоторой обрабатываемой площади, но и учитывать морфологию реальной поверхности и задавать программу очистки с ее учетом. Кроме того, как уже отмечалось, для повышения производительности собственно процесса абляции возможно мультиплицирование воздействия нескольких лазерных источников в одной зоне обработки.

Наконец, повышение чувствительности тепловой диагностики за счет лучшего охлаждения фотодетектора или увеличения зоны измерений позволит увеличить расстояние применения всей технологии до нескольких метров и, возможно, более.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполненный анализ показывает, что современные способы и технологии удаления поверхностных слоев не позволяют осуществлять контролируемую по глубине очистку и не обеспечивают необходимую точность и надежность обработки высокотехнологичных промышленных изделий. Предложенное в диссертационной работе совмещение процесса лазерной абляции с тепловой диагностикой, основанной также на излучении лазера, дает возможность создания

эффективного способа бесконтактно-управляемой лазерной очистки слоистых материалов толщиной до 5 мм.

2. Установлено, что разработанный способ определения только фактического изменения толщины слоя в процессе лазерной абляции с помощью тепловой диагностики позволяет исключить ресурсоемкое математическое моделирование физических механизмов удаления материала и требуемое для этого определение теплофизических, оптических и иных характеристик слоя и подложки.

3. Разработаны теоретические методики теплового контроля, позволяющие измерять абсолютную и относительную толщину однородного изотропного слоя без непосредственного измерения свойств материала (оптических и теплофизических). Установлено, что измерения абсолютной толщины слоя возможны для покрытий не тоньше 50 микрон, в то время как отслеживание относительной толщины слоя не имеет принципиальных теоретических ограничений.

4. Предложенная комбинация двух различных режимов нагрева слоя (сфокусированным и расфокусированным пятном) дает тепловые отклики, зависящие от разных сочетаний параметров, что позволяет исключить неизвестные тепловые параметры из расчетов. Соответственно, с измерением только фазы теплового импеданса отпадает также необходимость и в определении оптических характеристик поверхности.

5. Предложены варианты экспериментального оборудования для реализации процесса бесконтактно-управляемой лазерной абляции с поверхностным разрешением 20 мм2, на расстоянии порядка 10 см и возможностью применения на слоях толщиной до 5 мм;

6. Экспериментально подтверждена применимость разработанных методов для очистки различных материалов. Толщина исследованных слоев составляла от единиц до нескольких сотен микрометров. Материалами, использованными для изготовления образцов, были нержавеющая сталь, графит, керамика. Точность технологии по количественному отслеживанию изменения толщины составила порядка 10-15 %.

7. Предложены технологические карты процесса бесконтактно-управляемой лазерной абляции для очистки однородных и неоднородных слоев с толщиной порядка 10"3-10"6 м. В случае однородного слоя разработаны методики для количественного расчета режимов абляции для удаления слоя или его заданной части, а в случае неоднородного слоя имеется возможность качественно оценить протекание процесса очистки и однозначно определить полное удаление слоя.

РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Мелкжов Д.В., Григорьянд А.Г. Технология лазерной абляции для подготовки сверления охлаждающих каналов лопаток турбин // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2012. №5. С.55-59.

2. Мелюков Д.В., Григорьянц А.Г. Технология управляемой лазерной абляции пленок // Технология машиностроения. 2011. №11. С. 31-33.

3. Development of laser lock-in thermography for plasma facing component surface characterization / X. Courtois [et al.] // Fusion Engineering and Design. 2011. Vol.86, № 9-11. P. 1714-1718.

4. Phase lock-in laser active pyrometry for surface layer characterization of Tokamaks walls / D. Melyukov [et al.] // Proc. of the 10th Quantitative Infrared Thermography International Conference. Québec city (Canada), 2010. P. 941-945.

5. Temperature measurement at large distance of plasma-facing surfaces in fusion reactor by active pyrometry / D. Melyukov [et al.] // Proc. of the 10th Quantitative Infrared Thermography International Conference. Québec city (Canada), 2010. P.l 17-123.

Подписано к печати 17.04.12. Заказ №262 Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499) 263-62-01

61 12-5/2399

Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана

(МГТУ им. Н.Э. Баумана)

На правах рукописи

Мелюков Дмитрий Валерьевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА БЕСКОНТАКТНО-УПРАВЛЯЕМОЙ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ СЛОИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность:

05.02.07 - Технологии и оборудование механической и физико-технической

обработки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Григорьянц Александр Григорьевич

Москва-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. Современное состояние технологии очистки поверхностей

ответственных конструкций 7

1.1. Введение 7

1.2. Химическая очистка 11

1.3. Электрохимическая очистка 15

1.4. Физическая очистка 17

1.5. Лазерная абляция 23

1.6. Выводы главы 1 31

ГЛАВА 2. Технологии бесконтактной и дистанционной

неразрушающей диагностики 32

2.1. Введение 32

2.2. Активная неразрушающая тепловая диагностика 33

2.2.1. Тепловое излучение 3 7

2.2.2. Тепловые волны 41

2.2.3. Методики определения параметров 45 2.1. Выводы главы 2 47

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ 48

ГЛАВА 3. Теоретический анализ технологии бесконтактно-

управляемой лазерной абляции 49

3.1. Введение 49

3.2. Теоретические модели тепловой диагностики 51

3.3. Коэффициенты чувствительности 55

3.4. Параметрический анализ теоретических моделей 56

3.4.1. Однородное тело 57

3.4.2. Слой на подложке 60

3.4.3. Варьирование толщины слоя 66

3.5. Выводы главы 3 69 ГЛАВА 4. Экспериментальная установка 70

4.1. Установка лазерной абляции 70

4.2. Тепловой диагностики 74

4.2.1. Детектор теплового излучения 74

4.2.2. Источник нагрева 82

4.2.3. Схема установки 87

4.3. Выводы главы 4 90

ГЛАВА 5. Экспериментальные результаты и обсуждение 91

5.1. Проверка работоспособности экспериментальной установки

тепловой диагностики 91

5.2. Обработка листовых материалов 94

5.3. Обработка образцов поверхности камеры термоядерного реактора 102

5.4. Лазерная абляция лопатки турбины 114

5.5. Выводы главы 5 125

ГЛАВА 6. Технологические карты процесса бесконтактно-

управляемой лазерной абляции и область применения 126

6.1. Технологическая карта бесконтактно управляемой лазерной абляции однородного слоя 126

6.2. Технологическая карта бесконтактно управляемой лазерной абляции неоднородного слоя 128

6.3. Область применения и точность способа 129

6.4. Перспективы исследований и применения технологии бесконтактно-управляемой лазерной абляции 131

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 132

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 134

ВВЕДЕНИЕ

Очистка поверхностей востребована практических во всех отраслях современной промышленности. В настоящее время массово используется ряд химических, физических и физико-химических технологий, которые успешно выполняют свои задачи в этой области. Однако там, где появляется необходимость делать это прецизионно, традиционные технологии не всегда способны обеспечить требуемые характеристики процесса. Кроме этого, контактный характер и наличие материального реагента в этих способах повышают опасность работы персонала и увеличивают сложность технологии утилизации отходов в случае использования в агрессивных средах и для очистки небезопасных материалов, в первую очередь радиоактивных.

Лазерная абляция, основанная на взаимодействии когерентного электромагнитного излучения с веществом, представляется в этом ключе качественно более эффективной альтернативой ввиду полностью бесконтактного и дистанционного характера воздействия, а также из-за возможности осуществлять обработку с недостижимыми для других способов точностью и гибкостью. Тем не менее, для полной реализации потенциала управляемой и бесконтактной очистки с помощью лазера требуется дополнить этот процесс соответствующим инструментом контроля и обратной связи. С этой целью в настоящей работе предлагается совместить лазерную абляцию и тепловую диагностику, основанную также на нагреве посредством лазера и регистрации теплового излучения фотодетектором. Следовательно, будет получен способ контролируемой очистки поверхности с абсолютным отсутствием физического контакта и, способный также применяться сквозь материальные ограничители (технологические окна, иллюминаторы и проч.).

Помимо того, компактность, надежность, неприхотливость в обслуживании и эксплуатации, а также возрастающий КПД современных лазеров, дают основание полагать, что предлагаемая технология будет иметь высокий промышленный потенциал.

Для достижения поставленной цели проведены теоретические и экспериментальные исследования, показывающие принципиальную реализуемость технологии бесконтактно-управляемой лазерной абляции. Разработаны методики выбора и корректировки режимов лазерного воздействия на основании данных тепловой диагностики. При этом важно отметить, что разработанные методики фактически исключают из процесса управления сложные математические расчеты физических моделей лазерной абляции и определения, необходимых для этого, теплофизических, оптических и иных характеристик материала.

Таким образом, разрабатываемая в представленной диссертации технология бесконтактно-управляемой лазерной абляции слоистых материалов, потенциально может использоваться на абсолютно неизвестном заранее материале, что отмечает ее практическую значимость и индустриализуемость.

ГЛАВА 1. Современное состояние технологий очистки поверхностей ответственных конструкций

1.1. Введение

Под очисткой понимается устранение поверхностного слоя детали путем ее мытья, нагрева, химического или электрохимического воздействия, механического воздействия и других способов.

В современной промышленности очистка используется во всех отраслях. Номенклатура конкретных операций достаточно обширна и не требует цитирования в рамках настоящей работы. В качестве примера можно отметить, что это могут быть как операции устранения загрязнения, так и, процессы удаления изношенного покрытия, с целью его реновации [1,2]. Общая суть всех подобных технологических задач состоит в том, чтобы обработать некоторую площадь поверхности до требуемого, как правило, исходного состояния. При этом следует сделать это максимально эффективно с энергетической, временной и экономической точек зрения.

Наибольшую сложность представляет очистка в агрессивных и опасных для человека средах, а также там, где продукты очистки носят вредный характер. К таким средам относятся радиоактивные, химические и высокотемпературные установки. В таких агрегатах важно не только произвести очистку с минимальным количеством отходов, но также сделать это по возможности бесконтактно и дистанционно. В рамках данной работы основные усилия будут сосредоточены на решении проблемы именно в такой постановке, а прочие процессы очистки будут рассматриваться как частный случай этой задачи. Поэтому далее подробно представлено современное состояние технологий очистки в атомной промышленности как процессов с наивысшими требованиями и затрагивающих максимальное количество технологических аспектов [3].

Необходимо различать два направления применения технологий очистки в атомной отрасли. Первым из них является очистка в процессе эксплуатации детали, с целью недопущения деградации ее функциональных характеристик. В этом случае для деталей реакторных установок зачастую не накладывается ограничений на количество остаточного излучения, но принципиальным является поддержание их работоспособности.

Второе направление методов очистки применяется на стадии демонтажа атомных установок и в отличие от первого требует максимальной эффективности устранения загрязнения с целью последующего использования материала детали в нерадиоактивных технологических процессах. В этом случае требования к радиационной безопасности и радиационный контроль имеют решающее значение по сравнению с прочими факторами очистки.

Таким образом, в случае технологии очистки в процессе эксплуатации более важным является предварительная оценка загрязнения и применение неагрессивных методов его удаления, в то время как в процессе утилизации превалирует применение наиболее агрессивных методов очистки и послеоперационный контроль.

Зачастую первая группа составляет значительно меньший объем работ по сравнению со второй. Это обусловлено тем фактом, что первая группа методов применяется только для ряда деталей, требующих поддержания функциональных характеристик, в то время как вторая группа методов применяется практически для всей номенклатуры деталей. Поэтому одним из главных требований к процессам очистки второй группы является их индустриализация.

Однако для обоих представленных направлений общим является требование к минимизации радиоактивных отходов. Это вызвано сложностью и высокой стоимостью уничтожения и хранения радиоактивных

отходов. Так к примеру материалы, загрязненные наиболее агрессивным у-излучением, требуют хранения при определенных условиях в течение 200300 лет [4]. В этой ситуации очевидным является выгода от уменьшения объема продуктов очистки даже на весьма небольшие величины.

Кроме этого, общим для всех технологий очистки является их безопасность. К примеру, применение бесконтактных методов очистки предпочтительно по сравнению с контактными методами и также предпочтительно применение методов, уменьшающих количество летучих элементов (пыль, аэрозоль).

Таким образом, целями очистки в процессе эксплуатации и демонтажа атомных реакторов являются:

- Устранение или уменьшение загрязнения в том числе и радиоактивного;

- Подготовка к последующей утилизации деталей и материалов в областях без ограничений к радиационной безопасности;

- Уменьшение объема материалов, требующих хранения и обслуживания;

- Восстановление функциональности деталей и поверхностей.

Исходя из рассмотренных выше соображений можно определить критерии выбора метода очистки:

- Безопасность. (Уровень радиационной опасности для персонала осуществляющего операции очистки);

- Эффективность. (Уровень удаления загрязнения);

- Экономическая эффективность. (Уровень затрат на очистку соотнесенный с ее эффективностью);

-10- Минимизация отходов. (Количество загрязненного материала в общей массе отходов);

- Индустриализация. (Способность к проведению массовых операций очистки, уровень автономности и уровень автоматизации);

Поскольку для различных типов материалов и состояния поверхности характерна разная степень проникновения загрязнения, то это также следует принимать во внимание при выборе метода очистки. Наиболее важными факторами, влияющими на распределение загрязнения по глубине, являются:

- Тип материала основы;

- Шероховатость поверхности;

- Степень коррозии поверхности;

- Пористость поверхности и всего материала в целом;

В качестве основного оценочного критерия эффективности метода очистки часто используют коэффициент дезактивации (Кд), упомянутый выше, который определяется соотношением уровня радиоактивного излучения до и после очистки. На рис. 1.1 приведен пример распределения загрязнения по глубине для деталей первичного контура кипящих ядерных реакторов и реакторов на воде под давлением:

Материал КД

БегОз 1-5

РеСг204, Сг203 5-50

Бе, Сг,№ 50-10000

Глубина

5-30 мкм

Рис. 1.1.

Коэффициент дезактивации в зависимости от глубины очистки [3]

Как видно из рисунка в поверхностных оксидных слоях как правило находятся низкоактивные элементы, так как Кд низкий (это как правило а и (3 частицы), а в более низ л ежащих наиболее агрессивные (у).

Такая картина характерна в основном для углеродистых и нержавеющих сталей. Если для нержавеющей стали с высокой стойкостью к коррозии глубина проникновения загрязнения составляет несколько микрометров и сама поверхность является труднообрабатываемой, то для углеродистой стали с окисленным слоем на поверхности эта величина составляет значения нескольких сотен микрометров. Поэтому для очистки нержавеющих сталей требуется применять более эффективные методы удаления загрязнения, а для углеродистых сталей достаточно применения низкоэффективных технологий, но с большей глубиной воздействия. Такая же логика может быть применена и к очистке бетона, с учетом того, что его высокая пористость позволяет проникать загрязнению на глубину от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. В любом случае, чем более пористый материал, тем больше образуется второстепенных отходов (не содержащих активных элементов).

Наиболее распространенные методы очистки на сегодняшний день -это химический, электрохимический и физический. В качестве инновационной технологии более широко начинает применяться лазерный луч, поскольку КПД современных лазеров приближается к значениям характерным для других процессов, что делает его использование энергетически целесообразным. Более подробное рассмотрение каждого метода приведено ниже, согласно международным классификациям [5,6,7].

1.2. Химическая очистка

В основе метода химической очистки лежит применение концентрированных или разведенных химических реагентов в контакте с

загрязненной поверхностью. Удаление загрязнения происходит путем растворения поверхностного слоя и части основного материала. Регулировать глубину очистки можно как подбором материала реагента, так и временем его нанесения.

Преимуществом метода химической очистки является его применимость к большим по площади поверхностям, в том числе сложной геометрической формы. При этом коэффициент дезактивации в случае применения сильных минеральных кислот может составлять более 104, что позволяет удалить почти все радионуклиды. Так же в качестве позитивных сторон метода химической очистки важно отметить его широкое использование в атомной промышленности, что свидетельствует о накопленном большом опыте его применения.

Главным недостатком химической очистки является образование большого количества второстепенных жидких отходов, представляющих собой продукты реакции кислоты с поверхностью. Как правило в таком случае применяется их последующая обработка и фильтрация с целью уменьшения объема отходов предназначенных для хранения, что существенно увеличивает стоимость процесса очистки. Кроме того этот метод плохо применим для пористых материалов.

Основными реагентами выступают кислоты: азотная, фосфорная, серная, фтор-борная и фтор-азотная [3]. По типу применяемой кислоты различают ряд промышленных процессов химической очистки:

- CORD (Chemical Oxidizing Reduction - Decontamination) с использованием марганцевой кислоты

- LOMI (Low Oxidation State Metal Ion) с использованием никотиновой кислоты

- NITROX, CITROX процессы на основе азотной и лимонной кислот соответственно

-13- Одноэтапные процессы с использованием церия (IV).

CORD процесс был разработан тепловым подразделением Siemens KWU и включает в себя три основных этапа:

1. Окисление марганцевой кислотой

2. Очистка щавелевой кислотой

3. Ректификация марганцевой кислотой или перекисью водорода

Растворенные металлы могут быть удалены из раствора с помощью процесса ионного обмена или путем испарения реагента.

Этот процесс, как и разработанный на его основе продвинутый CORD процесс с применением ультрафиолетового излучения, являются циклическими процессами. При этом на первых двух циклах очистки происходит растворение только оксидного слоя и основной материал не подвергается растворению, что приводит к уменьшению уровня отходов. Однако, используя большее количество циклов, можно получить любую глубину очистки и высокие значения Кд (100-500), но в любой момент процесс может быть остановлен и затем, при необходимости, заново продолжен.

LOMI процесс был разработан в конце 70х годов в Англии и предполагает применение ванадия (И) как связующего элемента и никотиновой кислоты в качестве очищающего реагента. Этот процесс имеет наилучшие результаты для удаления цинка из деталей атомных реакторов.

CITROX и NITROX разработанные в 80-90е годы применяются для очистки трубных и системных компонентов кипящих водяных реакторов и водяных реакторов под давлением и обладают низким уровнем вторичных отходов.

В отличие от выше рассмотренных процессов, требующих применения нескольких циклов, методы химической очистки на основе церия (IV)

являются процессами с одним циклом, поскольку этот элемент в паре с кислотой (азотной или серной) является сильным окислителем (потенциал окисления 1,61 В). Методы с использованием церия растворяют за один этап и оксидный слой и основной материал, поэтому относятся к агрессивным методам. Проникновение и растворение до глубины в несколько микрон подложки гарантирует полное удаление загрязнения. Важным преимуществом является регенерация церия в процессе очистки. Так же церий хорошо поддается послеоперационной переработке и нейтрализации. Температура ведения процесса варьируется о�