齿轮材料20CrMnTi的飞秒激光烧蚀特征

发布时间：2021-07-25 14:54

　　研究了螺旋锥齿轮材料20CrMnTi的飞秒激光烧蚀机理,以及单脉冲飞秒激光在不同能量密度下的齿面烧蚀特征.考虑材料的能量动态吸收效应和光子-电子-晶格系统的相互耦合作用,建立能量耦合模型,仿真得到烧蚀齿轮材料的能量密度至少为67 mJ/cm2,材料去除区域发生在烧蚀深度40 nm以内.实验结果表明,齿面温度超过齿轮材料的气化温度后,齿面能够保持良好的烧蚀形貌,粗糙度的变化值小于0.021μm,验证了理论仿真的有效性.研究结果可为提高飞秒激光精微加工螺旋锥齿轮的齿面质量提供参考. 

【文章来源】：光子学报. 2020,49(12)北大核心EICSCD

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

齿轮材料的飞秒激光烧蚀机理

高斯光束的能量分布

当能量密度达到105 m J/cm2时，如图3(d）所示，两个系统的温度在4.6 ps后趋于热平衡状态，此时的平衡温度约为4 050 K，远大于齿轮材料的熔化温度与气化温度，材料的去除效率比前面三种能量的去除效率要高.但能量密度增加，电子与晶格温度达到平衡所需的豫驰时间增加，晶格温度达到最大值后会缓慢下降.由于电子中热能的传播速度比晶格中热能的传播速度快得多，故平衡状态下电子温度要略低于晶格温度.分别模拟了在19 m J/cm2、31 m J/cm2、67 m J/cm2和105 m J/cm2等不同能量密度下晶格系统温度场的三维分布，结果如图4.可看出，当飞秒激光烧蚀齿轮材料表面时，晶格温度与时间、传递深度有关.晶格温度随着能量密度的增大显著提高，沿着深度方向逐渐降低.在沿着激光束方向，深度在40 nm以上的晶格区域产生材料去除作用，在40 nm以下的晶格区域基本不烧蚀材料.因此，飞秒单脉冲的烧蚀作用只发生在材料表面，对材料内部的影响并不明显.

【参考文献】：
期刊论文
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博士论文
[1]高能激光烧蚀靶材动力学研究[D]. 房然然.华中科技大学 2009

硕士论文
[1]K24高温合金飞秒激光孔加工技术研究[D]. 曹婷婷.哈尔滨工业大学 2016
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本文编号：3302239