Сочетание лазерного ударного упрочнения с гидроструйным, дробеструйным и ультразвуковым ударным упрочнением для улучшения характеристик поверхности нержавеющей стали

Д. А. Лесик$^{1}$, Х. Сояма$^{2}$, Б. Н. Мордюк$^{3,1}$, О. Штаманн$^{4}$, В. В. Джемелинский$^{1}$

$^{1}$Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского», просп. Победы, 37, 03056 Киев, Украина
$^{2}$Tohoku University, 6-6-01 Aoba, Aramaki, Aoba-ku, JP-980-8579 Sendai, Japan
$^{3}$Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, бульв. Академика Вернадского, 36, 03142 Киев, Украина
$^{4}$Otto von Guericke University, 2 Universitätsplatz, DE-39106 Magdeburg, Germany

Получена: 22.10.2021. Скачать: PDF

Цель настоящей работы — сравнить влияние передовых методов механической обработки на характеристики поверхности аустенитной нержавеющей стали 08Х18Н10. Лазерное ударное упрочнение (LSP) в сочетании с гидроструйным упрочнением в воде (WjCP), дробеструйным упрочнением в воде (WjSP) и ультразвуковым ударным упрочнением многобойковым наконечником (UIP) применяется для улучшения качества поверхности и увеличения величин твёрдости, глубины упрочнения и остаточных напряжений сжатия в приповерхностных слоях. Лазерную ударную обработку осуществляли с помощью погружённой системы лазерного упрочнения с длиной волны 1064 нм. Исследованы результаты лазерного ударного упрочнения в сочетании с другими методами упрочнения в различных последовательностях (применяются до или после него). Экспериментальные результаты показали, что по сравнению с комбинированными методами LSP + WjCP и LSP + WjSP, комбинированный метод LSP + UIP приводит к меньшей шероховатости поверхности ($Ra \sim$ 0,15 мкм) и высшей поверхностной макротвёрдости ($\sim$ 39,0 HRC$_5$), подтверждая наноразмерную зёренную структуру с размером зёрен 15–100 нм, которая наблюдалась с помощью рентгеноструктурного анализа и трансмиссионной электронной микроскопии. Поверхностная макротвёрдость увеличивается примерно на 48, 68 и 80%, соответственно, после комбинированных методов WjCP + LSP, WjSP + LSP и UIP + LSP по сравнению с исходным образцом (22,1 HRC$_5$). Все комбинированные методы упрочнения приводят к увеличению значений остаточных напряжений по сравнению с единичным процессом LSP, обеспечивая глубину упрочнения примерно 1 мм.

Ключевые слова: нержавеющая сталь 08Х18Н10, лазерное ударное упрочнение, гидроструйное/дробеструйное упрочнение в воде, ультразвуковое ударное упрочнение, шероховатость, твёрдость, наноструктура.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ru/abstract/v44/i01/0079.html

PACS: 43.35.+d, 61.46.-w, 68.35.Ct, 68.35.Gy, 81.40.Lm, 81.65.-b


ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
  1. Y. Morisada, H. Fujii, T. Mizuno, G. Abe, T. Nagaoka, and M. Fukusumi, Mater. Sci. Eng. A, 505: 157 (2009). Crossref
  2. J. Radziejewska, Mater. Des., 32: 5073 (2011). Crossref
  3. D. A. Lesyk, S. Martinez, V. V. Dzhemelinskyy, A. Lamikiz, B. N. Mordyuk, and G. I. Prokopenko, Surf. Coat. Technol., 278: 108 (2015). Crossref
  4. R. Sundar, P. Ganesh, R. K. Gupta, G. Ragvendra, B. K. Pant, V. Kain, K. Ranganathan, R. Kaul, and K. S. Bindra, Lasers Manuf. Mater. Process., 6: 424 (2019). Crossref
  5. L. Petan, J. Grum, J. A. Porro, J. L. Ocana, and R. Sturm, Metals, 9: 1271 (2019). Crossref
  6. S. Martinez, A. Lamikiz, E. Ukar, I. Tabernero, and I. Arrizubieta, Appl. Therm. Eng., 98: 49 (2016). Crossref
  7. M. A. Montealegre, G. Castro, P. Rey, J. L. Arias, P. Vazquez, and M. Gonzalez, Contemp. Mater., 19: 19 (2010). Crossref
  8. D. A. Lesyk, S. Martinez, B. N. Mordyuk, V. V. Dzhemelinskyi, A. Lamikiz, and G. I. Prokopenko, Opt. Laser Technol., 111: 424 (2019). Crossref
  9. D. A. Lesyk, S. Martinez, B. N. Mordyuk, V. V. Dzhemelinskyi, A. Lamikiz, G. I. Prokopenko, Yu. V. Milman, and K. E. Grinkevych, Surf. Coat. Technol., 328: 344 (2017). Crossref
  10. Y. He, K. Li, I. S. Cho, C. S. Lee, I. G. Park, J.-i. Song, C.-W. Yang, J.-H. Lee, and K. Shin, Appl. Microsc., 45: 155 (2015). Crossref
  11. M. Chaib, M. Belhamiani, A. Megueni, A. Ziadi, and F. J. Belzunce, Int. J. Mater. Process. Techol., 53: 298 (2016). Crossref
  12. X. Wei, D. Zhu, X. Ling, L. Yu, and M. Dai, Int. J. Electrochem. Sci., 13: 4198 (2018). Crossref
  13. A. Azhari, C. Schindler, E. Kerscher, and P. Grad, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 63: 1035 (2012). Crossref
  14. H. Soyama, Int. J. Peen. Sci. Technol., 1: 3 (2017).
  15. B. N. Mordyuk, Yu. V. Milman, M. O. Iefimov, G. I. Prokopenko, V. V. Silberschmidt, M. I. Danylenko, and A. V. Kotko, Surf. Coat. Technol., 202: 4875 (2008). Crossref
  16. L. Li, M. Kim, S. Lee, M. Bae, and D. Lee, Surf. Coat. Technol., 307: 517 (2016). Crossref
  17. X. Yang, X. Wang, X. Ling, and D. Wang, Results. Phys., 7: 1412 (2017). Crossref
  18. M. Yasuoka, P. Wang, K. Zhang, Z. Qiu, K. Kusaka, Y. S. Pyoun, and R. Murakami, Surf. Coat. Technol., 218: 93 (2013). Crossref
  19. A. Gill, A. Telang, S. R. Mannava, D. Qian, Y. S. Pyoun, H. Soyama, and V. K. Vasudevan, Mater. Sci. Eng. A, 576: 346 (2013). Crossref
  20. M. Turski, S. Clitheroe, A. D. Evans, C. Rodopoulos, D. J. Hughes, and P. J. Withers, Appl. Phys. A, 99: 549 (2010). Crossref
  21. J. Epp and H. W. Zoch, J. Heat Treat. Mater., 71: 109 (2016). Crossref
  22. D. A. Lesyk, H. Soyama, B. N. Mordyuk, V. V. Dzhemelinskyi, S. Martinez, N. I. Khripta, and A. Lamikiz, J. Mater. Eng. Perform., 28: 5307 (2019). Crossref
  23. D. A. Lesyk, B. N. Mordyuk, V. V. Dzhemelinskyi, G. I. Prokopenko, and O. O. Danyleiko, Sci. Rev., 2: 3 (2018).
  24. P. Tadge, P. K. Gupta, and C. Sasikumar, Mater. Today: Proc., 2: 3245 (2015). Crossref
  25. M. O. Vasylyev, B. M. Mordyuk, S. I. Sydorenko, S. M. Voloshko, A. P. Burmak, and N. V. Franchik, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 39, No. 7: 905 (2017) (in Ukrainian). Crossref
  26. M. A. Vasylyev, B. N. Mordyuk, S. I. Sidorenko, S. M. Voloshko, and A. P. Burmak, Surf. Coat. Technol., 343: 57 (2018). Crossref
  27. O. Takakuwa, K. Yamamiya, and H. Soyama, J. Solid Mechanics Mater. Eng., 7: 357 (2013). Crossref
  28. Q. Feng, J. She, X. Wu, C. Wang, and C. Jiang, J. Mater. Eng. Perform., 27: 1396 (2018). Crossref
  29. D. Kumar, S. Idapalapati, W. Wang, and S. Narasimalu, Mater., 12: 2503 (2019). Crossref
  30. O. Unal and R. Varol, Appl. Surf. Sci., 351: 289 (2015). Crossref
  31. Z. Wang, C. Jiang, X. Gan, Y. Chen, and V. Ji, Int. J. Fatigue, 33: 549 (2011). Crossref
  32. Y. Zhang, S. Qu, F. Lu, F. Lai, V. Ji, H. Liu, and X. Li, Int. J. Fatigue, 141: 105867 (2020). Crossref
  33. D. A. Lesyk, B. N. Mordyuk, S. Martinez, M. O. Iefimov, V. V. Dzhemelinskyi, and A. Lamikiz, Surf. Coat. Technol., 401: 126275 (2020). Crossref
  34. L. Shen, L. Wang, Y. Wang, and C. Wang, Surf. Coat. Technol., 214: 3222 (2010). Crossref
  35. M. Chemkhi, D. Retraint, A. Roos, C. Garnier, L. Waltz, C. Demangel, and G. Proust, Surf. Coat. Technol., 221: 191 (2013). Crossref
  36. A. Toppo, R. Kaul, M. G. Pujar, U. K. Mudali, and L. M. Kukreja, J. Mater. Eng. Perform., 22: 632 (2013). Crossref
  37. N. Tsuji, S. Tanaka, and T. Takasugi, Surf. Coat. Technol., 203: 1400 (2009). Crossref
  38. N. Tsuji, S. Tanaka, and T. Takasugi, Mater. Sci. Eng. A, 499: 482 (2008). Crossref
  39. B. Wu, P. Wang, Y.-S. Pyoun, J. Zhang, and R.-I. Murakami, Surf. Coat. Technol., 213: 271 (2012). Crossref
  40. S. Prabhakaran, A. Kulkarni, G. Vasanth, S. Kalainathan, P. Shukla, and V. K. Vasudevan, Appl. Surf. Sci., 428: 17 (2018). Crossref
  41. B. Starman, H. Hallberg, M. Wallin, M. Ristinmaa, and M. Halilovic, Int. J. Mech. Sci., 176: 105535 (2020). Crossref
  42. H. Soyama, J. Mater. Proc. Technol., 269: 65 (2019). Crossref
  43. H. Soyama, Metals, 10: 63 (2019). Crossref
  44. H. Soyama, C. R. Chighizola, and M. R. Hill, J. Mater. Process. Tech., 288: 116877 (2020). Crossref
  45. B. N. Mordyuk, G. I. Prokopenko, M. A. Vasylyev, and M. O. Iefimov, Mater. Sci. Eng. A, 458: 253 (2007). Crossref