Разработка физических основ теории взаимодействия лазерного излучения с веществом для создания новых высокоэффективных технологий

Цель: решение фундаментальной проблемы разработки физических основ теории взаимодействия лазерного излучения с веществом для создания новых высокоэффективных технологий; разработка научных и методических основ создания с помощью лазерного высокоэнергетического воздействия и аддитивных технологий принципиально нового высокопрочного функционально-градиентного гетерогенного материала на основе комбинации различных порошков металлических и керамических материалов с использованием механического и термического воздействия. Внедрены уникальные установки, созданные в ИТПМ СО РАН: непрерывного и импульсно-периодического СО₂-лазеров, средней мощностью до 5 кВт и частотой следования импульсов до 150 кГц. Методология основана на предложенном и развиваемом в течение последних 3 - 5 лет в ИТПМ СО РАН подходе к исследованию процессов воздействия мощного лазерного излучения на вещество, основанном на создании физической модели с нахождением законов подобия, определяющих безразмерные параметры и их критические значения, обусловливающих свойства исследуемого процесса. Впервые развит комплексный подход к решению проблемы формирования структуры гетерогенного материала методами развиваемого в ИТПМ СО РАН нового научного направления – лазерной микрометаллургии, основанного на интенсивном лазерном и последующих механическом и термическом воздействиях. Разработаны новые физические модели взаимодействия излучения с веществом с учетом качества лазерного пучка и качества газового потока. Определены безразмерные параметры и законы подобия, определяющие свойства лазерной резки металлов. Найдены критериальные зависимости, определяющие качественный рез толстых (до 50 мм) стальных листов. Сформулированы оптимальные условия лазерной резки с минимизацией зоны термического влияния, т.е. термических напряжений и трещинообразования. Приведены инженерные соотношения и рекомендации для условий лазерной резки стали большой толщины. Впервые создан метод лазерной сварки для получения неразъемного соединения современного авиационного материала – алюминиевого сплава 1424 (Al - Mg - Li) с уровнем прочности, равным уровню прочности основного сплава. Экспериментально исследованы механизмы воздействия импульсно-периодического излучения на сверхзвуковые потоки воздуха и связь параметров лазерного излучения со структурой теплового следа. Сформулированы основные закономерности эффективности передачи энергии лазерного излучения в сверхзвуковые потоки воздуха, стабильности зажигания и поддержания ОПР и связи этих параметров с характеристиками потока и структурой теплового следа. Выполнен сравнительный анализ полученных экспериментальных данных с квазистационарными параметрами потока в тепловом следе, определенными на основе приближенных аналитических моделей. Новизна результатов обусловлена также и получением сравнительных характеристик. Результаты не имеют мировых аналогов.