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。由于激光具有自動化程度高、可控性好等特點，這使得激光毛化技術近年來備受關注，在實驗室研究和工程應用上都取得長足進展。但是，迄今為止，關于激光毛化微凸起形貌形成機理和規(guī)律，業(yè)界尚未形成完全一致的結論。鑒于此，本文用波長1064 nm的脈沖激光在45＃鋼表面進行微凸起造型，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。結合溫度場仿真以及氣化反沖壓強、等離子體沖擊波壓強的數(shù)值計算，系統(tǒng)研究了激光脈沖寬度和峰值功率密度對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)律及形成機理。主要研究內(nèi)容和結論如下：
　　（1）基于脈沖激光作用于金屬材料的熱學模型，數(shù)值研究了毫秒脈沖激光與45＃鋼相互作用的溫度場，理論分析了激光脈沖寬度和峰值功率密度對溫度場的影響規(guī)律，結合流體場理論分析，研究

3、了微凸起形貌形成機理。結果表明：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。當激光脈沖寬度較小或峰值功率密度較低時，液體材料流動的速度較慢，時間較短，形成中心凸臺“矮粗”的球冠狀形貌；當激光脈沖寬度較大或峰值功率密度較高時，液體材料流動的速度較快，時間較長，因此更多液體材料向熔池中心匯聚，形成凸臺“細高”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模型，數(shù)值研究了氣化反沖壓強隨激光參數(shù)改變的規(guī)律；研究當熔池表面發(fā)生氣化時，表面形貌的演變規(guī)律；基于激光誘導等離子體沖擊波壓強模型，分析等離子體沖擊波壓強和等離子體屏蔽作用對微凸起形貌的影響規(guī)律。結果表明：在一定激光參數(shù)范圍內(nèi)，熔池的溫度達到材料沸點，材料氣化產(chǎn)生反沖壓強。該氣化反沖壓強可達107到108Pa，將中心凸臺下壓使得凸臺變粗變矮，進而在熔池中心沖出凹陷，將液體金屬向

5、熔池邊沿擠壓，形成M狀凸起；當激光脈沖寬度或峰值功率密度繼續(xù)增大，氣化反沖壓強繼續(xù)增大，其作用范圍也繼續(xù)擴大，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較小，小于氣化反沖壓強2到3個數(shù)量級，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