激光沖擊對銅薄膜結(jié)合強(qiáng)度的影響及殘余應(yīng)力場的數(shù)值模擬.pdf

1、激光沖擊是利用激光與材料相互作用在表面施加高壓沖擊波以改善表層材料機(jī)械性能的一種表面改性技術(shù)，在現(xiàn)代制造領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用潛力。本文對單晶Si基體上沉積的金屬Cu薄膜進(jìn)行激光沖擊，測試了激光沖擊前后Cu薄膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度，用數(shù)值分析的方法研究了激光沖擊誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力場。
　　 利用直流磁控濺射技術(shù)，改變?yōu)R射功率、工作氣壓、基片溫度等工藝參數(shù)以及基片材料，制備了銅薄膜。借助掃描電鏡表征了薄膜的表面形貌以及劃痕試驗測試了薄膜的結(jié)

2、合強(qiáng)度。在基片不加熱，其他條件相同的情況下，薄膜的結(jié)合強(qiáng)度隨濺射功率的增加先增大后減小，在功率80～100W左右達(dá)到最大。濺射氣壓對結(jié)合強(qiáng)度影響也是先增大后減小，氣壓小薄膜的沉積速度低，容易導(dǎo)致較差的膜層;隨著氣壓的增大，結(jié)合強(qiáng)度在1.5Pa下達(dá)到最大，之后氣壓繼續(xù)增大結(jié)合強(qiáng)度減小。與濺射功率和氣壓相比，相同的濺射參數(shù)下，濺射時間對薄膜結(jié)合強(qiáng)度的影響相對較小。對比兩種基片表面的劃痕，玻璃表面薄膜的劃痕非常規(guī)整，邊緣處的開裂及剝落現(xiàn)象很少

3、，可以斷定Cu薄膜在玻璃表面的結(jié)合強(qiáng)度高于在硅表面。加入Ti中間層后結(jié)合強(qiáng)度提高了17.8％。與室溫下制備的試樣相比，基片加熱到150℃后，薄膜的晶粒尺寸均勻，缺陷減少，承載能力提高，結(jié)合強(qiáng)度提高到26.9N。
　　 根據(jù)應(yīng)力波的相關(guān)理論分析了沖擊波在層狀介質(zhì)界面的傳播，界面拉應(yīng)力來源于反射卸載和入射卸載的相互疊加，且并非沖擊波單次反射的拉伸波與入射波疊加，而是應(yīng)力波在界面和自由表面間來回反射后的綜合結(jié)果。在現(xiàn)有的激光沖擊裝置上

4、對Cu薄膜進(jìn)行了激光沖擊處理，利用PVDF壓電計獲取了沖擊波波形并計算了峰值壓力，最后對沖擊處理后的試樣進(jìn)行了結(jié)合強(qiáng)度測試。選用了之前制備的兩種不同結(jié)合強(qiáng)度的薄膜試樣進(jìn)行激光沖擊，室溫下制備的薄膜表面質(zhì)量較差，結(jié)合強(qiáng)度僅為14.8N，激光沖擊處理后，表面出現(xiàn)了細(xì)小的點狀剝落。而經(jīng)一系列參數(shù)優(yōu)化后的薄膜，相同條件處理后，表面變得光滑致密，粗糙度減小，晶粒之間及邊界處原有的空隙孔洞等缺陷減少了，表面完整，沒有出現(xiàn)上述剝落的現(xiàn)象，但結(jié)合強(qiáng)度測

5、試結(jié)果表明:隨著激光功率密度、沖擊次數(shù)以及搭接率的提高，每個薄膜試樣結(jié)合強(qiáng)度都有不同程度的下降。
　　 以ANSYS/LS-DYNA為平臺，建立了有限元分析模型，探討了不同激光功率密度、脈沖寬度及沖擊次數(shù)對殘余應(yīng)力場的影響。模擬結(jié)果表明:激光沖擊后薄膜內(nèi)的殘余應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在最表層，沿厚度方向殘余壓應(yīng)力減小并逐漸過渡到基體內(nèi)的拉應(yīng)力。激光功率密度以及沖擊次數(shù)的增加，最大殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)力層深度相應(yīng)增加，激光功