脈沖激光作用下45＃鋼表面微凸起形貌研究.pdf

1、具有微凸起形貌的金屬表面在工業(yè)上有廣泛應(yīng)用，如軋輥、沖壓模具、刀具等。激光毛化是制造表面微凸起的重要方法之一。由于激光具有自動(dòng)化程度高、可控性好等特點(diǎn)，這使得激光毛化技術(shù)近年來(lái)備受關(guān)注，在實(shí)驗(yàn)室研究和工程應(yīng)用上都取得長(zhǎng)足進(jìn)展。但是，迄今為止，關(guān)于激光毛化微凸起形貌形成機(jī)理和規(guī)律，業(yè)界尚未形成完全一致的結(jié)論。鑒于此，本文用波長(zhǎng)1064 nm的脈沖激光在45＃鋼表面進(jìn)行微凸起造型，利用掃描電子顯微鏡和三維形貌儀等表征形貌。得到四周凹陷中心凸

2、起的球冠狀、墨西哥帽狀以及四周凸起中心凹陷的M狀等典型微凸起形貌。結(jié)合溫度場(chǎng)仿真以及氣化反沖壓強(qiáng)、等離子體沖擊波壓強(qiáng)的數(shù)值計(jì)算，系統(tǒng)研究了激光脈沖寬度和峰值功率密度對(duì)微凸起形貌形成的影響規(guī)律，分析了各典型形貌的演變規(guī)律及形成機(jī)理。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　?。?）基于脈沖激光作用于金屬材料的熱學(xué)模型，數(shù)值研究了毫秒脈沖激光與45＃鋼相互作用的溫度場(chǎng)，理論分析了激光脈沖寬度和峰值功率密度對(duì)溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，結(jié)合流體場(chǎng)理論分析，研究

3、了微凸起形貌形成機(jī)理。結(jié)果表明：在一定激光參數(shù)范圍內(nèi)，激光輻照區(qū)域材料熔化產(chǎn)生熔池。由于熔池中心區(qū)域的表面張力大于熔池四周的表面張力，液體金屬由熔池四周流向中心，形成中心凸起四周凹陷的微凸起形貌。當(dāng)激光脈沖寬度較小或峰值功率密度較低時(shí)，液體材料流動(dòng)的速度較慢，時(shí)間較短，形成中心凸臺(tái)“矮粗”的球冠狀形貌；當(dāng)激光脈沖寬度較大或峰值功率密度較高時(shí)，液體材料流動(dòng)的速度較快，時(shí)間較長(zhǎng)，因此更多液體材料向熔池中心匯聚，形成凸臺(tái)“細(xì)高”的墨西哥帽狀形

4、貌。
　?。?）基于脈沖激光與靶材作用后的氣化反沖壓強(qiáng)模型，數(shù)值研究了氣化反沖壓強(qiáng)隨激光參數(shù)改變的規(guī)律；研究當(dāng)熔池表面發(fā)生氣化時(shí)，表面形貌的演變規(guī)律；基于激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波壓強(qiáng)模型，分析等離子體沖擊波壓強(qiáng)和等離子體屏蔽作用對(duì)微凸起形貌的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在一定激光參數(shù)范圍內(nèi)，熔池的溫度達(dá)到材料沸點(diǎn)，材料氣化產(chǎn)生反沖壓強(qiáng)。該氣化反沖壓強(qiáng)可達(dá)107到108Pa，將中心凸臺(tái)下壓使得凸臺(tái)變粗變矮，進(jìn)而在熔池中心沖出凹陷，將液體金屬向

5、熔池邊沿?cái)D壓，形成M狀凸起；當(dāng)激光脈沖寬度或峰值功率密度繼續(xù)增大，氣化反沖壓強(qiáng)繼續(xù)增大，其作用范圍也繼續(xù)擴(kuò)大，將液體材料完全擠壓至熔池四周，最終演變?yōu)橹虚g凹陷四周凸起的火山口形貌。熔池氣化產(chǎn)生的氣體金屬持續(xù)吸收激光能量會(huì)形成等離子體，并產(chǎn)生沖擊波作用于熔池。因本文所討論的激光參數(shù)恰好處于形成等離子體的閾值附近，所以所形成的等離子體沖擊波壓強(qiáng)較小，小于氣化反沖壓強(qiáng)2到3個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在影響熔池表面形貌的因素中占據(jù)次要地位。但是，等離子體對(duì)