激光冲击表面微造型的理论和实验研究

发布时间：2017-04-14 00:01

  本文关键词：激光冲击表面微造型的理论和实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：表面微造型能提高摩擦性能、生物医学性能以及光学性能;同时,表面微造型也能控制表面润湿性以及增强粘结接头的强度等。从大尺度的机械组件到微尺度的MEMS都有可能需要进行表面微造型。表面微造型方法主要有:珩磨技术、LIGA技术和准LIGA技术、微细电解加工、反应离子刻蚀、超声波加工、激光表面微造型。其中,以激光为能量源的表面加工技术,由于自动化程度高、可控性好、效率高等优点更是备受关注。另外,激光器件和激光加工理论的发展,促进了激光表面微造型技术的发展。因此,催生了多种以激光为能量源的表面微造型技术。主要有基于烧蚀的激光表面微织构、基于熔化的激光毛化和激光冲击表面微造型。本文在探究激光冲击强化后金属材料表面质量的基础上,提出用激光诱导冲击波实现表面微造型的方法,并针对该方法进行了较系统的理论和实验研究。主要研究内容和结论如下:(1)以纯铜块体为靶材,实施激光冲击强化实验,商用铝箔胶带作为吸收层,水作为约束层;用三维轮廓仪,光学显微镜或者扫描电镜表征铜块的表面形貌。发现冲击后靶材表面出现大量微米级微缺陷,包括凸起微缺陷和火山口状凸起微缺陷;理论计算了激光冲击过程中金属表面的温升,分析了冲击后靶材表面微缺陷的产生机理。结论如下:当铝箔作为吸收层时,铝箔和靶材之间的粘结材料中存在气泡。激光冲击所致的绝热压缩,使气泡中空气温度急速升高,进而使得在气泡位置的金属材料熔化并且形成微熔池;同时,气泡膨胀所产生的二次冲击波作用在微熔池上,进而在金属表面形成火山口状的微缺陷。如果冲击和高速形变产生的温升不足以使金属熔化,则在不平衡冲击载荷作用下,在金属表面形成中间无凹陷的凸起微缺陷。在激光冲击强化过程中,这种冲击所致的表面微缺陷会降低工件表面质量。但是,如深入研究上述微凸起形成过程,掌握其形成规律,实现形成过程和形成效果可控,则可实现在金属零件表面主动制造微凸起形貌。(2)为验证上述设想的可行性,在纯铝箔(不自带粘结层)与工件表面之间,主动设计,并成功制造了含有空穴的粘结层称之为空穴映射层。本文中,粘结层材料为数十微米厚的黑漆,用激光打标机在黑漆上仔细刻蚀出凹腔或凹槽,以水为约束层实施激光冲击。在金属表面成功制造出预期的微凸起阵列,微凸起的轮廓形状和尺度与粘结层材料中主动设计的空穴形状和尺度一致。根据冲击波在双层介质中的传播理论,借助ABAQUS软件进行了数值研究。结果表明:当宽幅入射冲击波通过空穴映射层时,被空间调制为幅值不均匀分布的冲击波。在不均匀的冲击波加载下,表面材料从高压区流向低压区。最后,在金属表面形成微凸起。(3)初步研究了冲击加工后金属表面的力学性能,以及激光能量、空穴横向尺寸以及空穴图案对微凸起结构的影响。用显微硬度计表征了冲击区域的硬度,结果表明:整个冲击区域的硬度都有显著提高;用三维轮廓仪表征了微凸起结构,结果表明:当激光能量低于某一值时,激光能量越大,凸起高度越高。由于密闭空穴内压力的增加,凸起高度不会无限制增大。而且,太大的激光能量会导致凸起顶部软化,降低表面力学性能。空穴尺寸是影响凸起高度的另一个因素,稍大的空穴有利于凸起高度的增加。
【关键词】：激光冲击 激光微造型 表面质量 微凸起 冲击波调制
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG665
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 表面微造型技术的研究意义11-16
• 1.2 激光冲击诱导表面微造型的研究意义16
• 1.3 激光表面微造型技术的研究现状16-21
• 1.3.1 激光微织构16-18
• 1.3.2 激光毛化18-19
• 1.3.3 激光冲击微织构19-21
• 1.4 本课题研究内容21-22
• 第二章 激光冲击加工的理论基础22-26
• 2.1 激光冲击加工原理22
• 2.2 激光诱导冲击波的峰值压力估算22-23
• 2.3 冲击作用下材料的响应特性23-25
• 2.3.1 塑性流动响应23-24
• 2.3.2 温升响应24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第三章 激光冲击强化后表面质量的实验研究26-40
• 3.1 激光冲击强化实验26-29
• 3.1.1 实验设备26-28
• 3.1.2 实验材料28-29
• 3.2 实验过程29-30
• 3.3 激光冲击实验结果和分析30-38
• 3.3.1 铝箔胶带为吸收层时表面形貌30-32
• 3.3.2 铝箔胶带的表面形貌32
• 3.3.3 粘结材料的微观检测32-34
• 3.3.4 激光冲击过程中的温升34-36
• 3.3.5 激光冲击之后金属表面的金相组织36-38
• 3.4 本章小结38-40
• 第四章 激光冲击诱导表面微结构可控性实验研究40-56
• 4.1 实验设计40
• 4.2 实验设备和实验材料40-42
• 4.2.1 实验设备40-42
• 4.2.2 实验材料42
• 4.3 实验过程42-43
• 4.4 实验结果和分析43-50
• 4.4.1 激光冲击后表面形貌43-44
• 4.4.2 空穴映射层调制高幅激光诱导冲击波44-46
• 4.4.3 不均匀冲击波加载过程的数值研究46-50
• 4.5 表面力学性能50-51
• 4.6 初步工艺研究51-55
• 4.6.1 空穴横向尺寸和激光能量对凸起的影响51-53
• 4.6.2 空穴图案对凸起的影响53-55
• 4.7 本章小结55-56
• 第五章 总结与展望56-58
• 5.1 总结56-57
• 5.2 展望57-58
• 参考文献58-63
• 致谢63-64
• 攻读硕士学位期间发表的论文64

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