Desarrollo de métodos para la caracterización predictiva acoplada de tensiones y deformaciones en procesos de tratamiento superficial mediante ondas de choque generadas por láser

En ingeniería los materiales están sujetos a un proceso de degradación desde el mismo momento en el que concluye su proceso de fabricación. Cargas mecánicas, térmicas y agresiones químicas dañan las piezas a lo largo de su vida útil. El daño generado por procesos de fatiga, corrosión y desgaste son unos pocos ejemplos de posible deterioro. Este deterioro de las piezas se combate mediante la prevención en la etapa de diseño, a través de reparaciones periódicas y mediante la sustitución de piezas en servicio. La mayor parte de los tipos de daño que pueden sufrir los materiales durante su vida útil se originan en la superficie. Por esta razón, el objetivo de los tratamientos superficiales es inhibir el daño a través de la mejora de las propiedades superficiales del material, intentando no generar sobrecostes inasumibles en el proceso productivo ni efectos colaterales notablemente perjudiciales. En general, se ha de llegar a una solución óptima entre el coste del tratamiento superficial y el beneficio generado por el aumento de la vida útil del material. En esta tesis se estudian los efectos del tratamiento superficial de aleaciones metálicas mediante ondas de choque generadas por láser. Su denominación internacional más empleada "Láser Shock Processing" hace que se emplee la denominación de procesos de LSP para referirse a los mismos. También se emplea la denominación de "Láser Peening" por semejanza al tratamiento superficial conocido como "Shot Peening", aunque su uso sólo está generalizado en el ámbito industrial. El tratamiento LSP es una alternativa eficaz a los tratamientos tradicionales de mejora de propiedades superficiales, mejorando la resistencia a la fatiga, a la corrosión y al desgaste. El tratamiento LSP se basa en la aplicación de uno o varios pulsos láser de elevada intensidad (superior a 1 GW/cm2) y con duración en el dominio de los nanosegundos sobre la superficie de la pieza metálica a tratar. Esta, bien se recubre con una fina capa de medio confinante (generalmente una fina capa de agua) transparente a la radiación láser, bien se sumerge en el medio confinante (también se usa agua). El pulso láser atraviesa el medio confinante hasta llegar a la superficie de la pieza. Es entonces cuando la superficie inmediatamente se vaporiza y se ioniza, pasando a estado de plasma. Como el plasma generado es confinado por el medio confinante, su expansión se limita y su presión crece. De este modo, el plasma alcanza presiones de varios GPa y crea dos ondas de choque: una de las cuales se dirige hacia el medio confinante y la otra se dirige hacia la pieza. Esta última produce un cráter microscópico por aplastamiento mecánico, generándose deformación plástica y un campo de tensiones residuales de compresión que mejoran las propiedades superficiales del material. La capacidad de los procesos LSP para mejorar las propiedades de materiales metálicos es indiscutible. En la bibliografía está reflejado el trabajo experimental y de simulación que se ha llevado a cabo a lo largo de los años en orden a optimizar el proceso. Sin embargo, hay pocos estudios que hayan tratado exhaustivamente la física del proceso. Esto es debido a la gran complejidad de la fenomenología física involucrada en los procesos LSP, con comportamientos no lineales tanto en la generación y dinámica del plasma como en la propagación de las ondas de choque en el material. Además, el elevado coste de los experimentos y su duración, así como el gran coste computacional que debían asumir los antiguos modelos numéricos, dificultó el proceso de optimización. No obstante, los nuevos sistemas de cálculo son cada vez más rápidos y, además, los programas de análisis de problemas no lineales por elementos finitos son cada vez más sofisticados, por lo que a día de hoy es posible desarrollar un modelo exhaustivo que no solo permita simular el proceso en situaciones simplificadas, sino que pueda ser empleado para optimizar los parámetros del tratamiento en casos reales y sobre áreas extensas. Por esta razón, en esta tesis se desarrolla y se valida un modelo numérico capaz de simular de manera sistemática tratamientos LSP en piezas reales, teniendo en cuenta la física involucrada en los mismos. En este sentido, cabe destacar la problemática del tratamiento LSP en placas delgadas. La capacidad del LSP para inducir tensiones residuales de compresión bajo la superficie de materiales con un espesor relativamente grueso (> 6 mm) con objeto de mejorar la vida en fatiga ha sido ampliamente demostrada. Sin embargo, el tratamiento LSP en especímenes delgados (típicamente < 6 mm, pero también mayores si es muy alta la intensidad del tratamiento) conlleva el efecto adicional del doblado de la pieza tratada, un hecho que puede ser aprovechado para procesos de conformado láser. Este efecto de doblado trae consigo una nueva clase de problemas en lo referente a los perfiles específicos de tensiones residuales en las piezas tratadas, ya que al equilibrarse las tensiones tras la retirada de su sujeción puede afectar considerablemente el perfil de tensiones residuales obtenido, lo que posiblemente puede derivar en la obtención de un perfil de tensiones residuales no deseado y, lo que puede ser aún más crítico, una deformación indeseable de la pieza en cuestión. Haciendo uso del modelo numérico desarrollado en esta Tesis, el análisis del problema del tratamiento LSP para la inducción de campos de tensiones residuales y la consecuente mejora de la vida en fatiga en piezas de pequeño espesor en un modo compatible con una deformación asumible se aborda de forma específica. La tesis está estructurada del siguiente modo: i) El capítulo 1 contiene una introducción al LSP, en la que se definen los procesos de tratamiento de materiales mediante ondas de choque generadas por láser. A continuación se expone una visión panorámica de las aplicaciones industriales de la tecnología LSP y, por último, se realiza una comparativa entre la tecnología LSP y otras tecnologías en competencia en el ámbito industrial: Shot Peening, Low Plasticity Burnishing y Waterjet Peening. ii) El capítulo 2 se divide en dos partes: fundamentos físicos característicos del tratamiento LSP y estado del arte de la modelización de procesos LSP. En cuanto a la primera parte, fundamentos físicos característicos del tratamiento LSP, en primer lugar se describe la física del tratamiento y los principales fenómenos que tienen lugar. A continuación se detalla la física de la interacción confinada en agua y la generación del pulso de presión asociado a la onda de choque. También se describe el proceso de saturación de la presión máxima por ruptura dieléctrica del agua y, por último, se describe la propagación de las ondas de choque y sus efectos en el material. En cuanto a la segunda parte, el estado del arte de la modelización de procesos LSP, recoge el conocimiento preexistente al desarrollo de la propia Tesis en los siguientes campos: modelización de la generación del plasma y su expansión, modelización de la ruptura dieléctrica del medio confinante, modelización del pulso de presión aplicado al material y la respuesta del mismo: inducción de tensiones residuales y deformaciones. iii) El capítulo 3 describe el desarrollo de un modelo propio para la simulación de las tensiones residuales y las deformaciones generadas por procesos LSP. En él se detalla la simulación de la propagación del pulso de presión en el material, los pormenores de su puesta en práctica mediante el método de los elementos finitos, la determinación de parámetros realistas de aplicación y se establece un procedimiento de validación de los resultados. iv) El capítulo 4 contiene los resultados de la aplicación del modelo a distintas configuraciones de interés en tratamientos LSP. En él se recoge un estudio del tratamiento LSP sobre áreas extensas que incluye un análisis de las tensiones residuales inducidas y un análisis sobre la influencia de la secuencia de barrido de los pulsos en las tensiones residuales y en las deformaciones. También se presenta un estudio específico de la problemática del tratamiento LSP en piezas de pequeño espesor y se detallan dos casos prácticos abordados en el CLUPM de gran interés tecnológico en función de las aplicaciones reales en las que se ha venido trabajando en los últimos años. v) En el capítulo 5 se presentan las conclusiones derivadas de los resultados obtenidos en la tesis. Concretamente, se destaca que el modelo desarrollado permite reproducir las condiciones experimentales de los procesos de LSP reales y predecir los efectos mecánicos inducidos por los mismos. Los anexos incluidos como parte accesoria contienen información importante que se ha utilizado en el desarrollo de la Tesis y que se desea incluir para hacer el volumen autoconsistente: i) En el anexo A se presenta una revisión de conceptos básicos sobre el comportamiento de los sólidos sometidos a ondas de choque [Morales04]. ii) El anexo B contiene la resolución analítica de la ecuación de ritmo utilizada en el código DRUPT [Morales04]. iii) El anexo C contiene la descripción de los procedimientos de uso del modelo de simulación desarrollado en la Tesis y el código fuente de la subrutina OVERLAP desarrollada para programar el solapamiento de pulsos en tratamientos LSP sobre áreas extensas. iv) El anexo D contiene un resumen de las principales técnicas para la medición de las tensiones residuales en los materiales [PorrolO] y [Gill2]. v) El anexo E contiene una descripción de las instalaciones experimentales del CLUPM en el que se han desarrollado los procesos LSP utilizados en la validación del modelo desarrollado [PorrolO]

Analysis of safety-based incentives in public private partnerships. The case of Spain

OUTLINE: • Introduction • Experimental Setup • Experimental Procedure • Experimental Results - Surface Roughness - Residual Stresses - Friction - Wear - EDX • Conclusion

Mechanical properties enhancement of high reliability metallic materials by laser shock processing

Laser shock processing (LSP) is being increasingly applied as an effective technology for the improvement of metallic materials surface properties in different types of components as a means of enhancement of their corrosion and fatigue life behavior. As reported in previous contributions by the authors, a main effect resulting from the application of the LSP technique consists on the generation of relatively deep compression residual stresses field into metallic alloy pieces allowing an improved mechanical behaviour, explicitly the life improvement of the treated specimens against wear, crack growth and stress corrosion cracking. Additional results accomplished by the authors in the line of practical development of the LSP technique at an experimental level (aiming its integral assessment from an interrelated theoretical and experimental point of view) are presented in this paper. Concretely, follow-on experimental results on the residual stress profiles and associated surface properties modification successfully reached in typical materials (especially Al and Ti alloys) under different LSP irradiation conditions are presented along with a practical correlated analysis on the protective character of the residual stress profiles obtained under different irradiation strategies and the evaluation of the corresponding induced properties as material specific volume reduction at the surface, microhardness and wear resistance. Additional remarks on the improved character of the LSP technique over the traditional “shot peening” technique in what concerns depth of induced compressive residual stresses fields are also made through the paper

Laser Shock Processing: An Emerging Technique for the Enhancement of Surface Properties and Fatigue Life of High Strength Metal Alloys

Profiting by the increasing availability of laser sources delivering intensities above 10 9 W/cm 2 with pulse energies in the range of several Joules and pulse widths in the range of nanoseconds, laser shock processing (LSP) is being consolidating as an effective technology for the improvement of surface mechanical and corrosion resistance properties of metals and is being developed as a practical process amenable to production engineering. The main acknowledged advantage of the laser shock processing technique consists on its capability of inducing a relatively deep compression residual stresses field into metallic alloy pieces allowing an improved mechanical behaviour, explicitly, the life improvement of the treated specimens against wear, crack growth and stress corrosion cracking. Following a short description of the theoretical/computational and experimental methods developed by the authors for the predictive assessment and experimental implementation of LSP treatments, experimental results on the residual stress profiles and associated surface properties modification successfully reached in typical materials (specifically steels and Al and Ti alloys) under different LSP irradiation conditions are presente

Laser Shock Microforming of Thin Metal Sheets with Q-Switched ns Lasers

The increasing demands in MEMS fabrication are leading to new requirements in production technology. Especially the packaging and assembly require high accuracy in positioning and high reproducibility in combination with low production costs. Conventional assembly technology and mechanical adjustment methods are time consuming and expensive. Each component of the system has to be positioned and fixed. Also adjustment of the parts after joining requires additional mechanical devices that need to be accessible after joining

Effect of LSP treatment on the surface topography, friction and wear of Al2024 alloy

OUTLINE: •Introduction •Experimental Setup • Experimental Procedure • Experimental Results - Surface Roughness - Residual Stresses - Friction - Wear - EDX •Conclusion

Laser Shock Microforming of Thin Metal Sheets: Physical Principles, Modelling and Experimental Implementation

The increasing demands in MEMS fabrication are leading to new requirements in production technology. Especially the packaging and assembly require high accuracy in positioning and high reproducibility in combination with low production costs. Conventional assembly technology and mechanical adjustment methods are time consuming and expensive. Each component of the system has to be positioned and fixed. Also adjustment of the parts after joining requires additional mechanical devices that need to be accessible after joining. Accurate positioning of smallest components represents an up-to-date key assignment in micro-manufacturing. It has proven to be more time and cost efficient to initially assemble the components with widened tolerances before precisely micro-adjusting them in a second step

Physical characterization of laser interaction and shock generation in laser processing: coupled theoretical-experimental analysis

Outline: • Introduction • Fundamental Physics of the Laser-Plasma Interaction in Laser Shock Processing • Theoretical/Computational Model Description • Some Results. Analysis of Interaction Parameters • Experimental Validation. Diagnosis Setup • Discussion and Outloo

Induction of through-thickness compressive residual stress fields in thin Al2024-T351 plates by laser shock processing

Purpose - With the aid of the calculational system developed by the authors, the analysis of the problem of laser shock processing (LSP) treatment for induction of residual stress (RS) fields for fatigue life enhancement in relatively thin sheets in a way compatible with reduced overall workpiece deformation due to spring-back self-equilibration has been envisaged. Numerical results directly tested against experimental results have been obtained confirming the critical influence of the laser energy and irradiation geometry parameters. The paper aims to discuss these issues. Design/methodology/approach - Plane rectangular specimens (160mm×100mm×2mm) of Al-cladded (-80µm) Al2024-T351 were considered both for LSP experimental treatment and for corresponding numerical simulation. The test piece is fixed on a holder and is driven along X and Y directions by means of an anthropomorphic robot. The predefined pulse overlapping strategy is used for the irradiation of extended areas of material. From the geometrical point of view, a full 3D configuration for the real geometry and for the sequential overlapping strategy of pulses has been considered. The FEM elements used for the simulation are an eight-node brick reduced integration with hourglass control in the treated area, namely C3D8RT, and a six-node trainer prism in the rest of the geometry, where there is no applied load, namely C3D6T, that ease meshing complex partitions. The element size in the nearest of the treated surface is 100×100×25µm, being the maximum element size which allows to maintain calculation convergence. Findings ? Numerical results directly tested against experimental results have been obtained confirming: first, the critical influence of the laser energy and irradiation geometry parameters on the possible thin sheets deformation, both at local and global scales. Second, the possibility of finding LSP treatment parameter regimes that, maintaining the requirements relative to in-depth RSs fields, are able to reduce the relative importance of sheet deformation. Third, the possibility of finding LSP treatment parameter regimes able to provide through-thickness compressive RSs fields at levels compatible with an effective fatigue life enhancement. Fourth, the possibility of improving this through-thickness compressive RSs fields by double-side treatments. Fifth, the capability of the experimental LSP treatment system at the authors site (CLUPM) of practically achieve the referred through-thickness compressive RSs fields in excellent agreement with the predictive assessment obtained by the used numerical code (SHOCKLAS®). Practical implications - The referred results provide a firm basis for the design of LSP treatments able to confer a broad range of RSs fields to thin components aiming the extension of their fatigue life, an enormously relevant field in which the authors are currently working. Originality/value - The LSP treatment of relatively thin specimens brings, as an additional consequence, the possible bending in a process of laser shock forming. This effect poses a new class of problems regarding the attainment of specified RS's depth profiles in the mentioned type of sheets, and, what can be more critical, an overall deformation of the treated component. The analysis of the problem of LSP treatment for induction of tentatively through-thickness RS's fields for fatigue life enhancement in relatively thin sheets in a way compatible with reduced overall workpiece deformation due to spring-back self-equilibration is envisaged in this paper for the first time to the authors knowledge. The coupled theoretical-experimental predictive approach developed by the authors has been applied to the specification of LSP treatments for achievement of RS's fields tentatively able to retard crack propagation on normalized specimens

Laser shock processing: an emerging technique for the improvement of fatigue life and surface properties of high reliability metallic components

•Introduction •Process Experimental Setup •Experimental Procedure •Experimental Results for Al2024 - T351, Ti6Al4V and AISI 316L - Surface Roughness and Compactation - Residual stresses - Tensile Strength - Fatigue Life •Discussion and Outlook - Prospects for technological applications of LS