毫秒激光致固体靶材表面气化及熔融喷溅的研究
发布时间：2020-07-04 20:41
【摘要】：激光与物质相互作用机理是将激光应用于工业、军事等领域的基础。本文理论和实验研究了波长为1064nm的毫秒激光致固体靶材气化的现象,以及气化对激光打孔的影响,并对熔融喷溅过程进行了研究。当毫秒激光辐照硅靶时,实验中观察到气化现象,并且硅靶前后表面两侧同时出现熔融喷溅物。采用Mach-Zehnder干涉仪获得了毫秒激光与硅靶相互作用的序列干涉图,通过干涉图中条纹位置的变化,得到了物质蒸气速度。理论上,将该蒸气速度作为初始条件,由Rankine-Hugoniot方程、气体动力学方程以及Knudsen层蒸气的守恒方程(质量、动量和能量)得到了硅靶后表面的蒸气压强;进而利用Clapyron-Clausius方程得到了硅靶后表面的温度,发现其高于硅的沸点,即在激光作用区域形成了“过热液体”。建立了毫秒激光与硅靶相互作用的有限元(FEM)模型,分别采用热焓法和热流方程处理熔融相变过程和气化导致的激光能量损失。数值仿真了功率密度为5×106W/cm2的毫秒激光与硅靶相互作用的气化过程,得到了不同脉宽激光作用后的温度场分布,以及不同时刻的气化速度和气化深度。将数值结果与实验结果相对比,发现熔融喷溅是移除物质主要机制。实验研究了毫秒激光在厚铝板中打孔的过程,并通过孔的深度得到了激光打孔的效能比。理论上,在准稳态热传导方程中添加气化过程的修正项,解析计算了打孔过程中铝板的表面温度,进而得到了气化过程所消耗的激光能量。结果表明:相同脉宽、不同能量密度时,气化过程所消耗的激光能量随着激光能量密度的增加而变大;不同脉宽、相同能量密度时,气化过程所消耗的激光能量随着激光脉宽的增加而变小。通过高速CCD获得了毫秒激光与固体靶材(硅靶、铝靶)相互作用的序列阴影图,发现毫秒激光对两种靶材均能产生气化和熔融喷溅过程,但气化强度和熔融喷溅物的形态、亮度均不相同,其原因为硅靶在毫秒激光作用下会出现过热沸腾现象。实验中,对比了相同能量密度的毫秒激光与硅靶和铝靶的打孔深度,结果表明,硅靶的激光打孔效率更高;理论上,考虑了过热沸腾现象的影响计算了毫秒激光对硅靶的打孔深度,与实验结果相一致。本文的研究结果为进一步研究毫秒激光致固体靶的气化和熔融喷溅现象提供了理论和实验依据,有助于推动毫秒激光在工业加工及制造、军事等领域的应用。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN249
【图文】：
激光技术、波音公司的美国陆军高能激光技术演示器（ＨＥＬ邋ＴＤ）项目、德国莱茵金属逡逑公司的５０邋ｋＷ高能激光武器、欧洲导弹系统公司的４０邋ｋＷ高能激光武器等［３３］。其中，逡逑德国５０邋ｋＷ高能激光武器如图１．１所示１３４］。逡逑图１．１德国５０邋ｋＷ高能激光武器逡逑在工业加工方面，激光可用于表面改性［３５］、熔覆［３６＿３８］、焊接［３９＿４１］、切割１４２４４］、打孔逡逑１４５４７］、亥彳槽［４８］、打标［４９１和３Ｄ打印［５（Ｋ５２］等多种应用工艺。以激光打孔为例，激光打孔具逡逑有速度快，效率高，经济效益好，可获得很大的深径比，可在硬、脆、软等材料上进行逡逑加工，无工具损耗，并可在难加工材料倾斜面上加工小孔，加工出来的工件清洁、无污逡逑染等显著的优点。例如美国Ｇｅｎｅｒａｌ邋Ｅｌｅｃｔｒｉｃｓ邋Ｃｒａｆｔｔｕｒｂｉｎｅ邋Ｐｌａｎｔ用１２台３０邋Ｊ／ｐｕｌｓｅ的红宝逡逑石激光器，结合五轴ＣＮＣ系统对飞机发动机的涡轮叶片打孔。采用ＹＡＧ激光对逡逑ＨａｙｎｅＳ１８８钴基超合金燃烧室衬套进行打孔，每个衬套有３６０个直径为０．４ｎｉｍ，深为２逡逑ｍｍ的孔。该公司还在加工喷气涡轮发动机的生产线上采用了激光加工冷却隔板以及在逡逑气冷式涡轮叶片、喷嘴、外罩和燃烧室采用激光加工出直径为０．１２７－１．２７邋ｍｍ、深度为逡逑３．１邋ｍｍ邋的小孔１５３］。逡逑激光与物质相互作用机理是激光在工业和军事等领域广泛应用的基础，因此开展激逡逑光与物质相互作用机理的研宄
１９９７年，美国田纳西大学空间研宄所的ＳｅｍａｋＶ．［ｌ５４］，假设熔融喷溅物是由气化产逡逑生的压力离开靶材表面的，并利用能量守恒定律，解析求得了气化机制打孔速度（Ｖ）逡逑和熔融喷o拼蚩姿俣龋ǎ觯Γ┓直鹩爰す夤β拭芏鹊墓叵怠Ｈ缤迹保此尽Ｔ诩す忮义瞎β拭芏冉系褪保廴谂缃π纬傻拇蚩姿俣却笥谄频拇蚩姿俣龋坏孀偶す夤β叔义厦芏鹊脑黾樱贾虏牧媳砻嫖露鹊脑黾樱饬街只频拇蚩姿俣染嵩黾印５牵廴阱义吓缃菩纬纱蚩姿俾驶崴孀偶す夤β拭芏鹊脑黾佣饔诔Ｊ拼蚩姿俾驶徨义纤孀偶す夤β拭芏鹊脑黾佣龃蟆ｅ义希玻卞义
本文编号：2741568
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN249
【图文】：
激光技术、波音公司的美国陆军高能激光技术演示器（ＨＥＬ邋ＴＤ）项目、德国莱茵金属逡逑公司的５０邋ｋＷ高能激光武器、欧洲导弹系统公司的４０邋ｋＷ高能激光武器等［３３］。其中，逡逑德国５０邋ｋＷ高能激光武器如图１．１所示１３４］。逡逑图１．１德国５０邋ｋＷ高能激光武器逡逑在工业加工方面，激光可用于表面改性［３５］、熔覆［３６＿３８］、焊接［３９＿４１］、切割１４２４４］、打孔逡逑１４５４７］、亥彳槽［４８］、打标［４９１和３Ｄ打印［５（Ｋ５２］等多种应用工艺。以激光打孔为例，激光打孔具逡逑有速度快，效率高，经济效益好，可获得很大的深径比，可在硬、脆、软等材料上进行逡逑加工，无工具损耗，并可在难加工材料倾斜面上加工小孔，加工出来的工件清洁、无污逡逑染等显著的优点。例如美国Ｇｅｎｅｒａｌ邋Ｅｌｅｃｔｒｉｃｓ邋Ｃｒａｆｔｔｕｒｂｉｎｅ邋Ｐｌａｎｔ用１２台３０邋Ｊ／ｐｕｌｓｅ的红宝逡逑石激光器，结合五轴ＣＮＣ系统对飞机发动机的涡轮叶片打孔。采用ＹＡＧ激光对逡逑ＨａｙｎｅＳ１８８钴基超合金燃烧室衬套进行打孔，每个衬套有３６０个直径为０．４ｎｉｍ，深为２逡逑ｍｍ的孔。该公司还在加工喷气涡轮发动机的生产线上采用了激光加工冷却隔板以及在逡逑气冷式涡轮叶片、喷嘴、外罩和燃烧室采用激光加工出直径为０．１２７－１．２７邋ｍｍ、深度为逡逑３．１邋ｍｍ邋的小孔１５３］。逡逑激光与物质相互作用机理是激光在工业和军事等领域广泛应用的基础，因此开展激逡逑光与物质相互作用机理的研宄
１９９７年，美国田纳西大学空间研宄所的ＳｅｍａｋＶ．［ｌ５４］，假设熔融喷溅物是由气化产逡逑生的压力离开靶材表面的，并利用能量守恒定律，解析求得了气化机制打孔速度（Ｖ）逡逑和熔融喷o拼蚩姿俣龋ǎ觯Γ┓直鹩爰す夤β拭芏鹊墓叵怠Ｈ缤迹保此尽Ｔ诩す忮义瞎β拭芏冉系褪保廴谂缃π纬傻拇蚩姿俣却笥谄频拇蚩姿俣龋坏孀偶す夤β叔义厦芏鹊脑黾樱贾虏牧媳砻嫖露鹊脑黾樱饬街只频拇蚩姿俣染嵩黾印５牵廴阱义吓缃菩纬纱蚩姿俾驶崴孀偶す夤β拭芏鹊脑黾佣饔诔Ｊ拼蚩姿俾驶徨义纤孀偶す夤β拭芏鹊脑黾佣龃蟆ｅ义希玻卞义
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