Исследователи из НИТУ МИСИС в сотрудничестве с китайскими коллегами представили новый метод лазерной обработки твердых материалов, направленный на увеличение их прочности и локальное устранение поверхностных дефектов. Этот подход особенно важен для применения в авиакосмической отрасли, атомной промышленности и биофизике, поскольку он способствует созданию более прочных конструкций, устойчивых к различным видам внешнего воздействия.
Исследование показало, что воздействие короткими лазерными импульсами длительностью около 20 наносекунд и энергией 15–20 мегаджоулей на поверхность металла значительно улучшает его механические свойства. Методика основана на воздействии коротких лазерных импульсов на поверхность материала, что приводит к кратковременному переходу в экстремальное состояние. В результате образуется высокотемпературное газопламенное облако, оказывающее воздействие на поверхностные слои материала с помощью шокового давления. В результате формируются круговые области плавления, а внутри материала возникает ударная волна.
С использованием компьютерной модели ученые создали симуляцию распределения температур и ударных волн, возникающих при воздействии лазерного излучения на поверхностный слой металлического сплава с учетом наномасштабных дефектов. Исследование было проведено в два этапа: первый этап включал моделирование процесса нагрева поверхностного слоя с учетом дефектов, второй — моделирование деформации и заживления нанопор в нагретом материале.
"В результате экспериментов мы обнаружили, что прочность обработанной поверхности возрастает более чем в 1,5 раза, что сопровождается повышенной устойчивостью к трещинам при локальной нагрузке в диапазоне от 0,49 Н до 4,9 Н", — поделился доцент кафедры физики Университета МИСИС Иван Сафронов.
Наиболее значимым достижением ученых считается создание физического механизма избирательного лазерного воздействия на дефектные области, такие как нано- и микропоры, что существенно повышает прочность материала. Подробные результаты исследования опубликованы в журнале Nanomaterials (Q1).
"Мы планируем дальнейшее развитие в направлении создания имплантатов с биосовместимой поверхностью, которые не вызывают отторжение и воспаление в организме человека. Это является важным направлением для медицинской науки и призвано удовлетворить потребности врачей и пациентов в будущем," — отметил Иван Сафронов.
Исследование было проведено при поддержке гранта в рамках стратегического проекта НИТУ МИСИС "Материалы будущего" по программе Минобрнауки России "Приоритет-2030" (проект К7-2023-010).
Источник :Пресс-служба НИТУ МИСИС
