Studium ovlivněných vrstev materiálu při obrábění leteckých superslitin laserem

Martin Grepl

Doctoral thesis

Study of the affected areas of superalloys materials after laser beam machining

Abstract:

Disertační práce se zaměřuje na problematiku obrábění laserovým svazkem, konkrétně na studium ovlivněných vrstev materiálu po obrábění leteckých superslitin laserem. Řešeno je zejména ovlivnění základních mechanických vlastností materiálu Inconel 718 po jeho vrtání laserovým svazkem s důrazem na vliv přetavené vrstvy materiálu. Ta vzniká jako nežádoucí doprovodný jev během obrábění laserem. Ačkoli je předmětem zkoumání niklová superslitina Inconel 718, práce se v teoretické části okrajově věnuje i dalším běžným superslitinám na bázi niklu, železa, kobaltu a titanu. Tím je ucelen globální pohled na používání těchto materiálů v současných technických aplikacích. Teoretická část práce dále detailně popisuje dosavadní poznatky o laserové technologii, historický vývoj laseru, jeho princip, konstrukce a klasifikace laserů. V krátkosti se diskutují i výhody a nevýhody některých typických aplikací laserové technologie ve strojírenství, jako například řezání, vrtání, svařování, apod. Detailně je prostudována problematika ovlivnění obráběného materiálu laserovým svazkem, kvalitativní aspekty a procesní parametry obrábění laserem. Experimentální část práce je zaměřena na statické zkoušky jednoosým tahem za pokojové teploty (23 °C) a za teploty zvýšené (550 °C). Ploché experimentální vzorky byly vyrobeny z materiálu Inconel 718 o tloušťkách 0,5 mm, 1,0 mm a 1,6 mm a tepelně zpracovány. Následně byl do vzorků vyvrtán jeden otvor průměru 0,8 mm uprostřed jejich délky pod úhlem 70°, a to jak vrtákem, tak laserovým svazkem s různými parametry. Všechny typy otvorů byly metalograficky vyhodnoceny, kde byla zjištěna průměrná tloušťka přetavené vrstvy a délky mikrotrhlin. Nakonec byly vzorky podrobeny tahové zkoušce. Z výsledků experimentálních prací plynou konkrétní závislosti mechanických vlastností materiálu Inconel 718 na vzniklé přetavené vrstvě materiálu, jejíž forma přímo souvisí s použitými parametry obrábění. Vliv změny testovací teploty na mechanické vlastnosti materiálu je prokázán pro všechny podmínky jednotlivých experimentů.

Abstract:

Dissertation thesis is focused on the laser beam machining process, specifically on a study of laser beam machined features of super alloys. The effect of laser beam machining/drilling on mechanical properties of Inconel 718 is investigated mainly with emphasis on undesirable recast layer on the feature surface as a result of the process. Although the object of investigation is Inconel 718 nickel superalloy the thesis devotes in its theoretical part to others common nickel, iron, cobalt and titanium based superalloys. By that, the comprehensive view of the use of these materials in current technical applications is unified. Theoretical part of the thesis also describes in detail knowledge of laser technology, historical development of laser, its principle, construction and classification of lasers. Briefly, the advantages and disadvantages of some typical applications of laser technology in mechanical engineering are discussed e.g. laser cutting, drilling, welding, etc. The issue of affecting of the laser beam machined material, qualitative aspects as well as process parameters of laser beam machining are read up in detail. Experimental part of the thesis is focused on a static uniaxial tension test at room temperature (23 °C) as well as at elevated temperature (550 °C). Flat shape experimental samples have been made of Inconel 718 material with 0,5 mm, 1,0 mm and 1,6 mm thicknesses and all the samples have also been heat treated. Subsequently, one hole with 0,8 mm diameter in the middle of the length of all drilled samples has been drilled under the 70 ° degree by drilling tool and by laser beam with different parameters as well. All types of drilled holes have been metallographically evaluated so the average thickness of recast layer and the length of microcracks have been measured. Finally, all the samples have been evaluated by tensile testing. From the results of the experimental works the particular dependencies of mechanical properties of Inconel 718 material can be determined based on the created recast layer which is closely associated with the used laser drilling process parameters. The effect of change of testing temperature on the mechanical properties of the material is established for all the circumstances of individual experiments.

Keywords

Laser, vrtání, přetavená vrstva materiálu, mechanické vlastnosti, Inconel 718, letecké aplikace

Keywords

Laser, Drilling, Recast Layer, Mechanical Properties, Inconel 718, Aerospace Applications

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 7. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 27. 8. 2015
• Supervisor: Josef Brychta
• Reader: Michal Hatala, Andrej Czán, Karel Kouřil

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta strojní

Doctoral programme / field:
Strojní inženýrství / Strojírenská technologie