КОМП'ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ БАГАТОІМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ВПЛИВУ, ЩО ЗАБЕЗПЕЧУЄ ЗБЕРІГАННЯ ПЕРВІСНОЇ МІКРОСТРУКТУРИ

Сергій Семенович Добротворський; Борис Олександрович Алексенко; Євгенія Володимирівна Басова

doi:10.32782/msnau.2025.1.4

Сергій Семенович Добротворський Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» https://orcid.org/0000-0003-1223-1036
Борис Олександрович Алексенко Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» https://orcid.org/0000-0001-9680-9370
Євгенія Володимирівна Басова Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» https://orcid.org/0000-0002-8549-4788

DOI: https://doi.org/10.32782/msnau.2025.1.4

Ключові слова: поверхня, мікроструктура, лазер, абляція, комп'ютерне моделювання

Анотація

У статті проаналізовано можливості багатоімпульсної фемтосекундної лазерної обробки структурованої поверхні зі збереженням її мікроструктури. Розглянуто вплив лазерного випромінювання на попередньо сформований мікрорельєф нержавіючої сталі AISI 321, що містить LIPSS-структуру. Показано, що неконтрольовані деформації мікрорельєфу можуть бути спричинені інтенсивним руйнуванням матеріалу, повторним осадженням частинок або неконтрольованим плавленням. Акцентовано увагу на необхідності підтримання температури нижче рівня плавлення для запобігання пошкодженню мікроструктури за межами мішені. Визначено ключові параметри лазерного випромінювання, що впливають на динаміку змін поверхні. Розглянуто метод комп’ютерного моделювання лазерного впливу, заснований на двотемпературній тепловій моделі, що дозволяє прогнозувати розподіл температури та механізми абляції. Проаналізовано особливості теплового впливу на матеріал у процесі багатоімпульсної лазерної обробки, що включає розрахунок енергетичного стану електронів та їхній вплив на атомну решітку матеріалу. Показано, що розроблена модель дозволяє визначати порогові значення енергії імпульсів, за яких досягається необхідна точність формування заглиблень без небажаних дефектів. Підтверджено, що застосування фемтосекундного лазера з великою шпаруватістю імпульсів дозволяє забезпечити рівномірний розподіл теплової енергії, що мінімізує ризик перегріву та пошкодження мікроструктури. Акцентовано увагу на можливості контролю параметрів обробки шляхом зміни частоти імпульсів, їхньої потужності та тривалості, що дозволяє досягти високої точності мікроструктурування. Проведене моделювання дозволяє оптимізувати параметри лазерного впливу, що сприяє зменшенню енергоспоживання та підвищенню ефективності технологічного процесу. Показано, що визначення критичних порогових рівнів потужності лазерного імпульсу дозволяє запобігти руйнуванню мікроструктури та забезпечити стабільне формування заданого мікрорельєфу. Отримані результати можуть бути використані для вдосконалення процесів лазерної обробки різних матеріалів, включаючи метали з низькою теплопровідністю. Перспективи подальших досліджень пов’язані з розширенням можливостей комп’ютерного моделювання для прогнозування впливу лазерного випромінювання на широкий спектр матеріалів. Запропонований підхід сприяє підвищенню точності й керованості процесів лазерного мікроструктурування, що має важливе значення для промислових застосувань у галузі авіо- та машинобудування.

Посилання

1. Bonse, J., Höhm, S., Kirner, S. V., Rosenfeld, A., & Krüger, J. (2017). Laser-Induced Periodic Surface Structures–A Scientific Evergreen. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 23(3). https://doi.org/10.1109/JSTQE.2016.2614183
2. Bonse, J., R. Koter, Manfred Hartelt, D. Spaltmann, Pentzien, S., S. Höhm, Rosenfeld, A. B., & Jan-Kristian Krüger. (2014). Femtosecond laser-induced periodic surface structures on steel and titanium alloy for tribological applications. 117(1), 103–110. https://doi.org/10.1007/s00339-014-8229-2
3. Demir, A. G., Fortunato, A., & Zaeh, M. F. (2024). Editorial. Lasers in Manufacturing and Materials Processing, 11(1), 1–2. https://doi.org/10.1007/s40516-024-00249-6
4. Dobrotvorskiy Sergey, Aleksenko, B. A., Mikołaj Kościński, Yevheniia Basova, & Vadym Prykhodko. (2023). Modeling and Surface Modification of AISI 321 Stainless Steel by Nanosecond Laser Radiation. Lecture Notes in Mechanical Engineering, 205–215. https://doi.org/10.1007/978-3-031-32767-4_20
5. Guillaume Savriama. (2021, July 9). TUTORIAL: TWO TEMPERATURE MODEL FOR ULTRASHORT PULSE LASER WITH COMSOL MULTIPHYSICS. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.24211.81449.
6. Gnilitskyi, I., Rota, A., Gualtieri, E., Valeri, S., & Orazi, L. (2019). Tribological Properties of High-Speed Uniform Femtosecond Laser Patterning on Stainless Steel. Lubricants, 7(10), 83. https://doi.org/10.3390/lubricants7100083
7. Gurevich, E. L., Levy, Y., Gurevich, S. V., & Bulgakova, N. M. (2017). Role of the temperature dynamics in formation of nanopatterns upon single femtosecond laser pulses on gold. Physical Review. B./Physical Review. B, 95(5). https://doi.org/10.1103/physrevb.95.054305
8. Hill, M., & Wagenaars, E. (2022). Modelling of Plasma Temperatures and Densities in Laser Ablation Plumes of Different Metals. Photonics, 9(12), 937–937. https://doi.org/10.3390/photonics9120937
9. Ivanov, D., & Zhigilei, L. V. (2003). Combined atomistic-continuum modeling of short-pulse laser melting and disintegration of metal films. 68(6). https://doi.org/10.1103/physrevb.68.064114
10. Jiang, L., Wang, A.-D., Li, B., Cui, T.-H., & Lu, Y.-F. (2017). Electrons dynamics control by shaping femtosecond laser pulses in micro/nanofabrication: modeling, method, measurement and application. Light: Science & Applications, 7(2), 17134–17134. https://doi.org/10.1038/lsa.2017.134
11. J.G.A.B. Simões, Riva, R., & Miyakawa, W. (2018). High-speed Laser-Induced Periodic Surface Structures (LIPSS) generation on stainless steel surface using a nanosecond pulsed laser. Surface & Coatings Technology, 344, 423–432. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.03.052
12. Francesca Di Niso, Gaudiuso, C., Sibillano, T., Francesco Paolo Mezzapesa, Ancona, A., & Pietro Mario Lugarà. (2014). Role of heat accumulation on the incubation effect in multi-shot laser ablation of stainless steel at high repetition rates. Optics Express, 22(10), 12200–12200. https://doi.org/10.1364/oe.22.012200.
13. Kim, J. H., & Choi, H. W. (2024). Review on Principal and Applications of Temporal and Spatial Beam Shaping for Ultrafast Pulsed Laser. Photonics, 11(12), 1140. https://doi.org/10.3390/photonics11121140
14. Kristensen, A., Yang, J. K. W., Bozhevolnyi, S. I., Link, S., Nordlander, P., Halas, N. J., & Mortensen, N. A. (2016). Plasmonic colour generation. Nature Reviews Materials, 2(1). https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.88
15. Li, X., & Guan, Y. (2020). Theoretical fundamentals of short pulse laser–metal interaction: A review. Nanotechnology and Precision Engineering, 3(3), 105–125. https://doi.org/10.1016/j.npe.2020.08.001.
16. Lin, X., Liang, C., Li, Y., Geng, Y., Chen, Z., Zhao, Y., Chen, X., Wu, J., & Wu, S. (2024). Review: Laser shock processing technique on the additive manufactured metallic alloys. Journal of Laser Applications, 36(3). https://doi.org/10.2351/7.0001411
17. Martínez, E., Lejeune, N., Frechilla, J., Porta-Velilla, L., Fourneau, E., Angurel, L. A., de, F., Bonse, J., Silhanek, A. V., & Badía-Majós, A. (2024). Laser engineered architectures for magnetic flux manipulation on superconducting Nb thin films. Applied Surface Science, 161214–161214. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.161214
18. Dobrotvorskiy S., Aleksenko1 B., Basova1 Y., Gnilitskyi Ia., Zawadzki P. and Kościński M. (2024). Mechanism of LIPSS formation under the influence of plasma lens during femtosecond laser processing. International Journal of Mechatronics and Applied Mechanics, I(18). https://doi.org/10.17683/ijomam/issue18.1
19. Miyagawa, R., Kamibayashi, D., Nakamura, H., Hashida, M., Zen, H., Somekawa, T., Matsuoka, T., Ogura, H., Sagae, D., Seto, Y., Shobu, T., Tominaga, A., Eryu, O., & Ozaki, N. (2022). Crystallinity in periodic nanostructure surface on Si substrates induced by near- and mid-infrared femtosecond laser irradiation. Scientific Reports, 12(1). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25365-1
20. Rebollar, E., Castillejo, M., & Ezquerra, T. A. (2015). Laser induced periodic surface structures on polymer films: From fundamentals to applications. European Polymer Journal, 73, 162–174. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2015.10.012
21. Rudenko, A., Mauclair, C., Garrelie, F., Stoian, R., & Jean-Philippe Colombier. (2019). Amplification and regulation of periodic nanostructures in multipulse ultrashort laser-induced surface evolution by electromagnetic-hydrodynamic simulations. Physical Review. B./Physical Review. B, 99(23). https://doi.org/10.1103/physrevb.99.235412