Исследование фазовых превращений окалины углеродистой стали при лазерной очистке наносекундными импульсами в режиме испарения

Введение. Исследованы фазовые превращения, происходящие в окалине при воздействии на нее наносекундными лазерными импульсами. Определен исходный фазовый состав окалины и фазовый состав поверхностного слоя, подвергшегося лазерному воздействию. Обработка поверхности образцов осуществлялась в испарительном режиме лазерного воздействия и приводила к абляции окалины.

Метод. Исследовались две группы образцов из листового горячекатаного проката углеродистой стали марки Ст3 (Е235-С, Fe 360-С). Первая группа состояла из образцов с исходной поверхностью окалины и образцов с механически шлифованной поверхностью. Исследовались фазовый и элементный составы, а также морфологические параметры исходной окалины. Во вторую группу были включены образцы с поверхностью окалины, обработанной наносекундными лазерными импульсами наносекундного иттербиевого волоконного лазера с максимальной средней мощностью 30 Вт. Для сканирования поверхности образцов пучком лазерного излучения применялась двухкоординатная сканирующая система на основе гальваносканеров. Фазовый состав окалины определялся методом спектроскопии комбинационного рассеяния света. Морфологические параметры поверхности и элементный состав образцов исследовались методами сканирующей электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии и энергодисперсионного анализа.

Основные результаты. Исследования фазового состава исходной окалины показали, что она состоит в основном из магнетита, при этом вюстит в составе окалины обнаружен не был. Установлено, что при обработке окалины в испарительном режиме в зоне воздействия лазерного импульса формируется кратер, поверхность которого покрыта застывшим расплавом окалины. В расплаве происходит фазовое превращение с образованием вюстита. При застывании расплав растрескивается, что связано с произошедшим фазовым превращением. Показано, что в процессе лазерной очистки испарительному механизму удаления окалины сопутствует фазовое превращение смеси магнетита с металлическим железом в вюстит.

Обсуждение. Полученные результаты могут быть положены в основу создания новой высокоэффективной технологии лазерной очистки поверхности стали от окалины.

1. Wang X., Ai R., Yang Q., Wang S., Zhang Y., Meng Y., Ma X. Effect of oxide scale structure on shot-blasting of hot-rolled strip steel // PeerJ Materials Science. 2020. V. 2. P. e 9. https://doi.org/10.7717/peerj-matsci.9

2. Bin S., Cheng L., Du C.-Y., Zhang J.-K., He Y.-Q., Cao G.-M. Effect of oxide scale microstructure on atmospheric corrosion behavior of hot rolled steel strip // Coatings. 2021. V. 11. N 5. P. 517. https://doi.org/10.3390/coatings11050517

3. Li X., Huang T., Chong A.W., Zhou R., Choo Y.S., Hong M. Laser cleaning of steel structure surface for paint removal and repaint adhesion // Guangdian Gongcheng/Opto-Electronic Engineering. 2017. V. 44. N 3. P. 340–344.

4. Kayahan E., Candan L., Aras M., Gundogdu O. Surface cleaning of metals using low power fiber lasers // Acta Physica Polonica A. 2018. V. 134. N 1. P. 371–373. https://doi.org/10.12693/aphyspola.134.371

5. Lu Y., Yang L., Wang Y., Chen H., Guo B., Tian Z. Paint removal on the 5A06 Aluminum alloy using a continuous wave fiber laser // Coatings. 2019. V. 9. N 8. P. 488. https://doi.org/10.3390/coatings9080488

6. Kravchenko Y., Klimentov S., Derzhavin S., Mamonov D., Karpov N., Mayorov A. Optimization of laser cleaning conditions using multimode short-pulse radiation // Optical and Quantum Electronics. 2020. V. 52. N 6. P. 280. https://doi.org/10.1007/s11082-020-02399-1

7. Sun X., Yu Q., Bai X., Jin G., Cai J., Yuan B. Substrate cleaning threshold for various coated al alloys using a continuous-wave laser // Photonics. 2021. V. 8. N 9. P. 395. https://doi.org/10.3390/photonics8090395

8. Вейко В.П., Смирнов В.Н., Чирков А.М., Шахно Е.А. Лазерная очистка в машиностроении и приборостроении. СПб.: НИУ ИТМО, 2013. 103 с.

9. Veiko V., Samohvalov A., Ageev E. Laser cleaning of engraved rolls coupled with spectroscopic control // Optics and Laser Technologies. 2013. V. 54. P. 170–175. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2013.05.015

10. Chen G.X., Kwee T.J., Tan K.P., Choo Y.S., Hong M.H. High-power fibre laser cleaning for green shipbuilding // Journal of Laser Micro/ Nanoengineering. 2012. V. 7. N 3. P. 249–253. https://doi.org/10.2961/jlmn.2012.03.0003

11. Deschênes J.M., Fraser A. Empirical study of laser cleaning of rust, paint, and mill scale from steel surfac // Minerals, Metals & Materials Series. 2020. P. 189–201. https://doi.org/10.1007/978-3-030-365561_17

12. Вейко В.П., Шахно Е.А. Физические механизмы лазерной очистки поверхности // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2001. Т. 65. № 4. С. 584–587.

13. Zhuang S., Kainuma S., Yang M., Haraguchi M., Asano T. Characterizing corrosion properties of carbon steel affected by highpower laser cleaning // Construction and Building Materials. 2021. V. 274. P. 122085. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.122085

14. Вейко В.П., Мутин Т.Ю., Смирнов В.Н., Шахно Е.А., Батище С.А. Лазерная очистка поверхностей металлов: физические процессы и применение // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2008. Т. 51. № 4. С. 30–36.

15. Либенсон М.Н., Яковлев Е.Б., Шандыбина Г.Д. Взаимодействие лазерного излучения с веществом (силовая оптика). Часть 2. Лазерный нагрев и разрушение материалов. Учебное пособие. СПб.: НИУ ИТМО, 2014. 181 с.

16. Журба Д.В., Журба В.М., Вейко В.П., Пуйша А.Э. Исследование процесса лазерной очистки металлопроката от окалины // Фотоника. 2024. Т. 18. № 6. С. 436–449. https://doi.org/10.22184/19937296.FRos.2024.18.6.436.449

17. Журба Д.В. Исследование физических механизмов лазерной очистки поверхности горячекатаного металлопроката от окалины при воздействии непрерывного лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм // XI Конгресс молодых учёных: Сборник научных трудов конгресса. T. 2. СПб.: НИУ ИТМО, 2022. С. 231–233.

18. Журба Д.В., Журба В.М., Пуйша А.Э. Лазерная очистка поверхностей конструкций трубопроводного транспорта углеводородов // Бурение и нефть. 2023. № S2. С. 61–67.

19. Журба В.М., Журба Д.В., Пуйша А.Э. Способ лазерной очистки металлических поверхностей от окалины. Патент RU2812150C1. Бюл. 2024. № 3.

20. Hanesch M. Raman spectroscopy of iron oxides and (oxy) hydroxides at low laser power and possible applications in environmental magnetic studies // Geophysical Journal International. 2009. V. 177. N 3. P. 941–948. https://doi.org/10.1111/j.1365-246x.2009.04122.x

21. De Faria D.L.A., Venâncio Silva S., de Oliveira M.T. Raman microspectroscopy of some iron oxides and oxyhydroxides // Journal of Raman Spectroscopy. 1997. V. 28. N 11. P. 873–878. https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-4555(199711)28:11<873::AIDJRS177>3.0.CO;2-B

22. Prokuratov D.S., Davtian A.S., Vereshchagin O.S., Kurganov N.S., Samokhvalov A.A., Pankin D.V., Povolotckaia A.V., Shimko A.A., Mikhailova A.A., Somov P.A., Parfenov V.A. Laser cleaning of archaeologically corroded iron objects with inlays // Optical and Quantum Electronics. 2020. V. 52. N. 2. P. 113. https://doi.org/10.1007/s11082-020-2231-z

23. Veiko V.P., Karlagina Y., Moskvin M., Mikhailovskii V., Odintsova G., Olshin P., Pankin D., Romanov V., Yatsuk R. Metal surface coloration by oxide periodic structures formed with nanosecond laser pulses // Optics and Lasers in Engineering. 2017. V. 96. P. 63–67. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2017.04.014

24. Sutton A.T., Kriewall C.S., Leu M.C., Newkirk J.W., Brown B. Characterization of laser spatter and condensate generated during the selective laser melting of 304L stainless steel powder // Additive Manufacturing. 2020. V. 31. P. 100904. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100904

25. Sánchez-Tovar R., Leiva-García R., García-Antón J. Characterization of thermal oxide films formed on a duplex stainless steel by means of confocal-Raman microscopy and electrochemical techniques // Thin Solid Films. 2015. V. 576. P. 1–10. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2014.12.024

26. Encyclopedia of spectroscopy and spectrometry / ed. by Lindon J.C., Tranter G.E., Koppenaal D. Academic Press, 2016. 3584 p.

27. Wiemann J., Fabbri M., Yang T.R., Stein K., Sander P.M., Norell M.A., Briggs D.E.G. Fossilization transforms vertebrate hard tissue proteins into N-heterocyclic polymers // Nature Communications. 2018. V. 9. P. 4741. https://doi.org/10.1038/s41467-018-07013-3

28. Chen R., Yuen W. Oxidation of low-carbon, low-silicon mild steel at 450–900°C under conditions relevant to hot-strip processing // Oxidation of Metals. 2002. V. 57. N 1-2. P. 53–79. https://doi.org/10.1023/A:1013390628475

29. Chen Rex, Yeun W.Y.D. Review of the High-Temperature Oxidation of Iron and Carbon Steels in Air or Oxygen // Oxidation of Metals. 2003. V. 59. N 5-6 . P. 433 –468. https://doi.org/10.1023/A:1023685905159

30. Тепляков Ю.Н. Распад вюстита, входящего в состав окалины // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Химия. 2009. № 23 (156). C. 36–42.

31. Naipinij S., Sukieum S., Namprai R., Nilsonthi T. Formation of thermal oxide scale and its adhesion to hot-rolled low carbon steels with different final strip thicknesses // E3S Web of Conferences. 2022. V. 355. P. 02008. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202235502008

32. Cao G., Wu T., Xu R., Li, Z., Wang F., Liu Z. Effects of coiling temperature and cooling condition on transformation behavior of Tertiary oxide scale // Journal of Iron and Steel Research International. 2015. V. 22. N 10. P. 892–896. https://doi.org/10.1016/S1006-706X(15)30086-8

33. Shizukawa Y., Hayashi S., Yoneda S., Kondo Y., Tanei H., Ukai S. Mechanism of magnetite seam formation and its role for FeO scale transformation // Oxidation of Metals. 2016. V. 86. N 3-4. P. 315–326. https://doi.org/10.1007/s11085-016-9638-8

34. Choi J.W., Choi J.W. Convective heat transfer coefficient for high pressure water jet // ISIJ International. 2002. V. 42. N 3. P. 283–289. https://doi.org/10.2355/isijinternational.42.283

35. Грудев А.П., Зильберг Ю.В., Тилик В.Т. Трение и смазки при обработке металлов давлением: Справочник. М.: Металлургия, 1982. 310 с.

36. Devoino O.G., Gorbunov A.V., Lapkovsky A.S., Lutsko N.I., Shpackevitch D.A., Gorbunova V.A., Koval V.A. Data sets formation on the physical properties of oxide scale components for theoretical assessment of efficiency parameters of laser cleaning of carbon steels and related processes //science & Technique. 2024. V. 23. N 3. P. 192–203. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2024-23-3-192-203

37. Liao Y. Practical Electron Microscopy and Database. 2006. [Электронный ресурс]. URL: https://globalsino.com/EM/page4639. html (дата обращения: 02.12.2024).