О характеристиках энергоэффективности лазерной эрозии при очистке от оксидов поверхностей углеродистых сталей, чугуна и низколегированных сплавов металлов. Часть 2

Проведен анализ показателей энергоэффективности процессов лазерной эрозионной очистки (ЛО), разрабатываемых в последнее время для применения в технологиях металлообработки многих углеродистых сталей, чугунов и сплавов цветных металлов, с целью удаления с них поверхностных оксидных слоев. Учет некоторых характеристик данных ЛО-процессов (энергозатраты, энергетический критерий K_en1s, и др.) дает возможность оценить влияние различных механизмов поверхностного деоксидирования при импульсной лазерной очистке MeO_x-слоев. Анализ LC-процессов с учетом характеристик эффективности проводился на основе массива параметров типичных (в области ЛО от оксидов) режимов обработки образцов углеродистых сталей с поверхностными оксидными слоями (в том числе с использованием данных наших экспериментов) с применением различных импульсных лазеров, а также некоторых образцов алюминиевых, медных и титановых сплавов и чугуна с поверхностными оксидами. Проведенное нами сравнение расчетных значений параметров для ряда современных вариантов ЛО показывает, что с достаточной степенью надежности можно предположить, что для наиболее типичных случаев ЛО-обработки (предварительно изученных в наших экспериментах по очистке стальных образцов от прокатной окалины, а также описанных для ЛО-процессов по удалению оксидов с поверхности некоторых сплавов цветных сплавов) более вероятен первый, т.е. наиболее энергозатратный (термическая абляция с нагревом до температуры плавления и даже выше) из механизмов очистки. Для этой группы процессов уровень значений энергетического критерия, достигнутый в нашей серии экспериментов с ЛО FeO_x-окалины со стали (K_en1s ≈ 4,4) и соответствующее ему приближенное значение можно, согласно нашим кинетическим оценкам, считать близким к пороговому уровню, ниже которого будет параллельно реализовываться не только ЛО-термоабляция, но и частично два других (менее энергозатратных) механизма деоксидирования. В то же время в более редкой группе случаев процессов ЛО (например, при лазерном удалении пленки TiO_x с титанового сплава, а также, возможно, в режиме удаления оксида алюминия с алюминиевого сплава, для которого уровень K_en1s, вероятно, эквивалентен «переходной зоне» с существенным вкладом как неабляционных механизмов, так и термоабляции) возможна активная реализация иных, т. е. не термоабляционных механизмов. 

1. Deschênes J. M., Fraser A. (2020) Empirical Study of Laser Cleaning of Rust, Paint, and Mill Scale from Steel Surface. Lee J., Wagstaff S., Lambotte G., Allanore A., Tesfaye F. (eds). Materials Processing Fundamentals 2020. The Minerals, Metals & Materials Series. Springer, Cham, 189–201. https://doi.org/10.1007/978-3-030-36556-1_17.

2. Zhang J., Wang Y., Cheng P., Yao Y. L. (2006) Effectof Pulsing Parameters on Laser Ablative Cleaning of Copper Oxides. Journal of Applied Physics, 99 (6), 064902. https://doi.org/10.1063/1.2175467

3. Seo C., Ahn D., Kim D. (2015) Removal of Oxides from Copper Surface Using Femtosecond and Nanosecond Pulsed Lasers. Applied Surface Science, 349, 361–367. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.05.011.

4. Zaheer Ud Din S., Shi C., Zhang Q., Wei Y., Zhang W. (2023) Evaluation of the Laser Cleaning Efficacy of Q235 Steel Using Laser-Induced Breakdown Spectroscopy. Metals, 13 (1), 59. https://doi.org/10.3390/met13010059.

5. Ogbekene Y., Shukla P., Zhang Y., Shen X., Prabhakaran S., Kalainathan S., Gulia K. (2018) Laser Cleaning of Grey Cast Iron Automotive Brake Disc: Rust Removal and Improvement in Surface Integrity. International Journal of Peening Science and Technology, 1 (2), 155–180.

6. Xie X., Huang Q., Long J., Ren Q., Hu W., Liu S. (2020) A New Monitoring Method for Metal Rust Removal States in Pulsed Laser Derusting via Acoustic Emission Techniques. Journal of Materials Processing Technology, 275, 116321. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116321.

7. Li Z., Zhang D., Su X., Yang S., Xu J., Ma R., Shan D., Guo B. (2021) Removal Mechanism of Surface Cleaning on TA15 Titanium Alloy Using Nanosecond Pulsed Laser. Optics & Laser Technology, 139, 106998; https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.106998.

8. Ren Y., Wang L., Ma M., Cheng W., Li B., Lou Y., Li J., Ma X. (2022) Stepwise Removal Process Analysis Based on Layered Corrosion Oxides. Materials, 15 (21), 7559. https://doi.org/10.3390/ma15217559.

9. Ma M., Wang L., Li J., Jia X., Wang X., Ren Y. (2020) Investigation of the Surface Integrity of Q345 Steel After Nd:YAG Laser Cleaning of Oxidized Mining Parts. Coatings, 10 (8), 716. https://doi.org/10.3390/coatings10080716.

10. Sheleg V. K., Shpakevich D. A., Gorbunov A. V., Lapkovskiy A. S., Lutsko N. I. (2024) Study of the Process of Laser Cleaning of Low-Carbon Steel from Corrosion Products. Mashinostroenie: respublikanskii mezhvedomstvennyi sbornik nauchnykh trudov [Mechanical Engineering: Republican Interdepartmental Collection of Scientific Works]. Minsk, BNTU, 114–122 (in Russian).

11. Zhang G., Hua X., Huang Y., Zhang Y., Li F., Shen C., Cheng J. (2020) Investigation on Mechanism of Oxide Removal and Plasma Behavior during Laser Cleaning on Aluminum Alloy. Applied Surface Science, 506, 144666. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.144666.

12. Windmann M., Röttger A., Kügler H., Theisen W. (2016) Removal of Oxides and Brittle Coating Constituents at the Surface of Coated Hot-Forming 22MnB5 Steel for a Laser Welding Process with Aluminum Alloys. Surface and Coatings Technology, 285, 153–160. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.11.037.

13. Wang X., Xu M., Wang Z., Shen L., Qiu M., Tian Z., Ahsan M., Wang C. (2019) Properties of Jet-Plated Ni Coating on Ti Alloy (Ti6Al4V) with Laser Cleaning Pretreatment. Metals, 9 (2), 248. https://doi.org/10.3390/met9020248.

14. Grigor'eva I. A., Parfenov V. A., Prokuratov D. S., Shakhmin A. L. (2017) Laser Cleaning of Copper in Air and Nitrogen Atmospheres (in Russian). Journal of Optical Technology, 84 (1), 1–4. https://doi.org/10.1364/JOT.84.000001.

15. Napadlek W. (2009) Ablative Laser Cleaning of Materials. Journal of KONES Powertrain and Transport, 16 (1), 357–366.

16. Hino M., Mitooka Y., Murakami K., Nishimoto K., Kanadani T. (2011) Application of Laser Removal Processing on Magnesium Alloy Anodized from Phosphate Solution. Materials Transactions, 52 (6), 1116–1122. https://doi.org/10.2320/matertrans.mc201005.

17. Kumar A., Bhatt R. B., Behere P. G., Afzal M., Kumar A., Nilaya J. P., Biswas D. J. (2014) Laser-Assisted Surface Cleaning of Metallic Components. Pramana, 82 (2), 237–242. https://doi.org/10.1007/s12043-013-0665-6.

18. Kumar A., Sonar V. R., Das D. K., Bhatt R. B., Behere P. G., Afzal M., Kumar A., Nilaya J. P. (2014) Laser Cleaning of Tungsten Ribbon. Applied Surface Science, 308, 216–220. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.04.138.

19. Prokuratov D., Samokhvalov A., Pankin D., Vereshchagin O., Kurganov N., Povolotckaia A., Shimko A., Mikhailova A., Balmashnov R., Reveguk A. (2023) Investigation towards Laser Cleaning of Corrosion Products from Lead Objects. Heritage, 6 (2), 1293–1307. https://doi.org/10.3390/heritage6020071.

20. Schubert S., Barday R., Kamps T., Quast T., Sievert F., Varkhalov A., Nietubyc R., Smedley J., Weinberg G. (2012) Investigation on Laser-Cleaning Process on Lead Photocathodes. Proceedings of IPAC2012. New Orleans, LA, USA, 1515–1517. Available at: https://accelconf.web.cern.ch/IPAC2012/papers/tuppd050.pdf.

21. Palomar T., Oujja M., Llorente I., Ramírez Barat B., C ñamares M.V., Cano E., Castillejo M. (2016) Evaluation of Laser Cleaning for the Restoration of Tarnished Silver Artifacts. Applied Surface Science, 387, 118–127. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.06.017.

22. Devoino O. G., Gorbunov A. V., Shpackevitch D. A., Lapkovsky A. S., Gorbunova V. A., Koval V. A., Kovaleva S. A. (2025) On Energy Efficiency Characteristics of Laser Erosion on Oxidic Surfaces of Carbon Steels, Cast Iron and Low-alloy Non-ferrous Alloys During Deoxidizing Cleaning. Part I. Nauka i Tehnika = Science and Technique, 24 (1), 12–23 (in Russian). https://doi.org/10.21122/2227-1031-2025-24-1-12-23.

23. Suris A. L. (1989) Plasma Chemical Processes and Apparatus, Moscow, Khimiya Publ. 304 (in Russian).

24. Marotta A., Gorbunov A. V., Mosse A. L. (2004) Heat and Mass Transfer During Plasmachemical Synthesis of Doped Lanthanum Chromite Powders for High-Temperature Semiconducting Materials. Heat Transfer Research, 35 (5-6), 427–430. https://doi.org/10.1615/HeatTransRes.v35.i56.110.

25. Gorbunov A. V., Devoino O. G., Gorbunova V. A., Yatskevitch O. K., Koval V. A. (2021) Thermodynamic Estimation of the Parameters for C-H-O-N-Me-Systems as Operating Fluid Simulants for New Processes of Powder Thermal Spraying and Spheroidizing. Nauka i Tehnika = Science and Technique, 20 (5), 390–398. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2021-20-5-390-398.

26. Mourao R., Marquesi A. R., Gorbunov A. V. Petraconi Filho G., Halinouski A. A., Otani C. (2015) Thermoche mical Assessment of Gasification Process Efficiency of Biofuels Industry Waste with Different Plasma Oxidants. IEEE Transactions on Plasma Science, 43 (10), 3760–3767. https://doi.org/10.1109/TPS.2015.2416129.

27. Li Z., Xu J., Zhang D., Shan D., Guo B. (2022) Finite Element Simulation of Temperature Field in Laser Cleaning of TA15 Titanium Alloy Oxide Film. Scientia Sinica Technologica, 2022, 52 (2), 318–332. https://doi.org/10.1360/SST-2021-0059 (in Chinese).

28. Lammers N. A., Bleeker A. (2007) Laser Shockwave Cleaning of EUV Reticles. Proc. SPIE 6730, Photomask Technology 2007, 67304P. https://doi.org/10.1117/12.746388.

29. Yu H., Li H., Wu X., Yang J. (2020) Dynamic Testing of Nanosecond Laser Pulse Induced Plasma Shock Wave Propulsion for Microsphere. Applied Physics A, 126 (1), 63. https://doi.org/10.1007/s00339-019-3243-z.

30. Carslaw H. S., Jaeger J. C. (1986) Conduction of Heat in Solids. 2nd ed. Oxford University Press. 520.

31. Pinsker V. A. (2006) Unsteady-State Temperature Field in a Semi-Infinite Body Heated by a Disk Surface Heat Source. High Temperature, 44 (1), 129–138. https://doi.org/10.1007/s10740-006-0015-1.

32. Devoino O. G., Gorbunov A. V., Lapkovsky A. S., Lutsko N. I., Shpakevitch D. A., Gorbunova V. A., Koval V. A. (2024) Data Sets Formation on the Physical Pro perties of Oxide Scale Components for Theoretical Asses sment of Efficiency Parameters of Laser Cleaning of Carbon Steels and Related Processes. Nauka i Tehnika = Science and Technique, 23 (3), 192–203. https://doi.org/21122/2227-1031-2024-23-3-192-203.

33. Liao D., Wang Q., Wang F., Chen H., Ji F., Wen T., Zhou L. (2023) Effect of Nanosecond Pulsed Laser Clea ning Scanning Speed on Cleaning Quality of Oxide Films on TC4 Titanium Alloy Surface. Chinese Journal of Lasers, 50 (4), 0402020. https://doi.org/10.3788/CJL220819 (in Chinese).