Физики Челябинского государственного университета и Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН (ПФИЦ УрО РАН) рассчитали параметры эффективного упрочнения металлов для самолётов и космических кораблей.
Результатами работы по моделированию распространения ударной волны в материале при лазерной ударной проковке учёные поделились на первой всероссийской школе-семинаре по компьютерному моделированию AtoM FROM ATOMISTIK TO MACRO.
Инновационная технология лазерной ударной проковки представляет из себя процесс выстрела ультракороткими импульсами лазера в мишень на металле (для эксперимента исследователи выбрали медные пластинки). После выстрела на поверхности металла образуется видимая глазу вмятина, а внутри происходит упрочнение. Металлы, которые были подвергнуты лазерной ударной проковке, более прочные и срок их эксплуатации увеличивается.
В состав исследовательской группы входят заведующий кафедрой общей и теоретической физики ЧелГУ, профессор Александр Майер, выпускница магистратуры физического факультета ЧелГУ, младший научный сотрудник ПФИЦ УрО РАН Ксения Манухина и её коллеги.
Ксения Манухина принимала участие не только в моделировании процесса лазерной ударной проковки, но и участвовала в самом эксперименте:
«Эксперимент проходит в отдельной комнате, где стоит ультрамощный лазер, на пластину подаётся вода, чтобы предотвратить распространение ударной волны в окружающую среду и сделать удар лазера более эффективным, — рассказывает Ксения. — В процессе удара в материале происходит деформация кристаллической решётки, и она пытается вернуться в исходное положение. За счёт этих противонаправленных действий в металле задерживаются остаточные напряжения, благодаря которым дальнейшее деформационное нагружение уже не причинит серьёзного вреда металлической пластине. В Перми такие прочные металлы нужны для изготовления лопаток и лопастей турбины двигателя самолётов».
Девушка в рамках своей части исследования произвела моделирование процесса лазерной ударной проковки, создав на языке С++ код программы с использованием необходимых уравнений.
«В процессе эксперимента мы видели кривые зависимости скорости свободной поверхности (скорости выхода частиц на свободную поверхность при лазерном ударе) от времени, — поясняет Ксения. — Те же кривые я получала при моделировании. После сравнения результатов эксперимента и моделирования с помощью автоматической идентификации Байеса я определяю оптимальные параметры. Для описания процессов, которые происходят в материале, была использована модель Джонсона — Кука. Она уже используется Пермским научным центром в пакетах программного обеспечения. В перспективе усложнённая модель может задавать режимы лазерного воздействия для конкретной детали без проведения предварительных испытаний и оценивать эффективность этого воздействия».
В последствии учёные планируют заменить медь на используемые в аэрокосмической отрасли титан и другие металлы и их сплавы в рамках программы создания и развития научного центра мирового уровня «Сверхзвук», которая в Перми реализуется в 2020–2025 гг. при финансировании Минобрнауки России.
