Моделирование имплантации наночастиц в материал с помощью лазерной ударной волны

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

В статье изучается новая технология, называемая имплантацией наночастиц в поверхностный слой легкого сплава с использованием лазерной ударной волны. Разработаны конечно-элементные и аналитические модели для определения глубины имплантации WC-наночастиц в алюминиевую подложку при имплантации наночастиц с помощью лазерной ударной волны. Рассматриваются 2 режима: однократное применение технологии имплантации наночастиц в поверхностный слой, и последовательное двукратное применение имплантации наночастиц в поверхностный слой. Полученные результаты показали, что в обоих исследуемых режимах наночастицы имплантируются в поверхностный слой алюминиевого сплава АД1 с разной интенсивностью. Показано, что рассчитанные с помощью метода конечных элементов и аналитической моделью глубины имплантации наночастиц хорошо согласуются с экспериментальными данными, что подтверждает достоверность разработанных моделей глубин имплантации.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Г. Ж. Сахвадзе

Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН

Author for correspondence.
Email: sakhvadze@mail.ru
Russian Federation, Москва

Г. Г. Сахвадзе

Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН

Email: sakhvadze@mail.ru
Russian Federation, Москва

References

  1. Zeng L. J., Wang Y., Wang. H. et al. Numerical and experimental investigation on temperature distribution of the discontinuous welding // Comput. Mater. Sci. 2009. V. 44. P. 1153.
  2. Ferkel H., Mordike B. L. Magnesium strengthened by SiC nanoparticles // Mater. Sci. Eng. 2001. V. 298. P. 193.
  3. Yilbas B. S., Arif A. F. Laser shock processing of aluminum: model and experimental study // J. Appl. Phys. 2007. V. 40. P. 6740.
  4. Sakhvadze G. Zh. Use of laser shock hardening technology to improve the corrosion resistance of magnesium alloy implants // J. Mach. Manuf. Reliab. 2023. V. 52 (8). P. 895.
  5. Sakhvadze G. Zh., Sakhvadze G. G. Combined model based on the finite element method and artificial neural networks for modeling laser shock peening of titanium–niobium implants // J. Mach. Manuf. Reliab. 2023. V. 52 (7). P. 741.
  6. Molian P., Moliaa R., Nair R. Laser shock wave consolidation of nanodiamond powders on aluminum 319 // Appl. Surf. Sci. 2009. V. 255. P. 3859.
  7. Lu L., Huang T., Zhong M. L. WC nano-particle surface injection via laser shock peening onto 5A06 aluminum alloy // Surf. Coating. Technol. 2012. V. 206 (22). P. 4525.
  8. Cut C. Y., Cui X. G., Zhao Q. Simulation, microstructure and microhardness of the nano-SiC coating formed on Al surface via laser shock processing // Mater. Des. 2014. V. 62. P. 217.
  9. Cui C. Y., Cui X. G., Li X. D. et al. Plastic-deformation-driven SiC nanoparticle implantation in an Al surface by laser shock wave: mechanical properties, micro structure characteristics, and synergistic strengthening mechanisms // Int. J. Plast. 2018. V. 102. P. 83.
  10. Shypylenko A. V., Pshyk B., Crzeskowiak K. et al. Effect of ion implantation on the physical and mechanical properties of Ti-Si-N multifunctional coatings for biomedical applications // Mater. Des. 2016. V. 110. P. 821.
  11. Lu L. Research on Micro-nano Particles Surface Injection via Laser Shock Peening Technology. Tsinghua University Doctoral Dissertation. Beijing. 2013. 147 р.
  12. Ye C., Suslov S., Kim B. J. et al. Fatigue performance improvement in AISI 4140 steel by dynamic strain aging and dynamic precipitation during warm laser shock peening // Acta Mater. 2011. V. 59. P. 1014.
  13. Jia G. H., Sun X. Q., Pei S. X. Critical penetration velocity and dynamic yield strength of target material // J. Ballist. 1998. V. 4. P. 46.
  14. Ren X. D., Zhang Y. K., Yongzhuo H. F. et al. Effect of laser shock processing on the fatigue crack initiation and propagation of 7050-T7451 aluminum alloy // Mater. Sci. Eng. 2011. V. A 528. P. 2899.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Finite element model of WC nanoparticle implantation into AD1 aluminum alloy under the action of LUV.

Download (52KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Implantation of WC nanoparticles into AD1 alloy under the action of LUV: (a) — t = 0 ns; (b) — t = 1000 ns; (c) — t = 1500 ns; (d) — t = 4000 ns.

Download (13KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Final arrangements of WC nanoparticles for different INLUV modes and different laser pulse energies: (a) — INLUV-1 and 6 J; (b) — INLUV-1 and 9 J; (c) — INLUV-1 and 12 J; (d) — INLUV-2 and 6 J; (d) — INLUV-2 and 9 J; (e) — INLUV-2 and 12 J.

Download (35KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Scheme of nanoparticle collision caused by laser shock wave. The velocities of balls in the upper and lower layers are shown: (a) — state of balls before collision; (b) — velocities of balls after collision of balls.

Download (21KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences