毫秒激光打孔過程熔融噴濺、重鑄層和微裂紋形成機(jī)理研究.pdf

1、本文以毫秒激光打孔為例,針對激光與金屬材料相互作用過程中存在的熔融噴濺、重鑄層和微裂紋等現(xiàn)象開展數(shù)值模擬和實驗驗證研究,進(jìn)而研究了相應(yīng)的物理機(jī)理。
　　在毫秒激光打孔過程中,受輻照的材料發(fā)生熔融直至劇烈汽化產(chǎn)生的壓力將熔融液體拋出,形成的小孔壁面受到反沖壓力、表面張力和Marangoni力等耦合作用,同時發(fā)生固/液、液/氣間的相變?；诟倪M(jìn)的流體動力學(xué)方程和水平集方程,考慮相變潛熱和力作用影響,建立了適用于激光打孔的流體動力學(xué)模型

2、。
　　在建立激光打孔流體動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,以典型金屬材料鋼和鋁為試樣進(jìn)行了數(shù)值計算研究。其中通過對比分析熔融液體噴濺的特點,提出了液化層概念,得到子熔融噴濺量與材料熱擴(kuò)散率的半定量關(guān)系;構(gòu)建了適用于熔融噴濺的實驗診斷系統(tǒng),實現(xiàn)了對熔融噴濺過程實時記錄、熔融噴濺比重定量分析和熔融噴濺沉積形貌成像觀測。通過對比實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果,進(jìn)一步驗證了模型的合理性。
　　以航空發(fā)動機(jī)材料TC4合金為試樣進(jìn)行激光打孔仿真的研究中,提取了

3、小孔演化過程的液化層。通過分析液化層的溫度場和速度場,探討了重鑄層形成的熱-力耦合機(jī)制,得到了表達(dá)重鑄層厚度的數(shù)學(xué)關(guān)系式;利用掃描電鏡觀測和驗證了重鑄層形成機(jī)理。
　　在毫秒激光打孔過程中,工件基體溫度的劇烈變化將導(dǎo)致產(chǎn)生熱應(yīng)力,從而誘發(fā)微裂紋?；趥鳠釋W(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)理論,考慮熱膨脹和熱軟化對熱應(yīng)力形成和發(fā)展過程的影響,用水平集法追蹤液/氣交界面,建立了毫秒激光打孔的二維軸對稱熱-彈塑性計算模型。結(jié)合材料的屈服強度隨溫度變化特性和溫