微尺度激光冲击强化金属靶材数值模拟与实验研究

论文摘要

微尺度激光冲击强化(Microscale Laser Shock Processing,μLSP)技术是一种采用微尺度激光束诱导的冲击波进行金属材料改性的新技术。它通过改变材料的应力分布,延长金属材料的疲劳寿命、显著提高材料表面硬度和强度、增强抗磨损抗腐蚀性能。为解决微机电系统(MEMS)的微结构失效问题、提高其可靠性提供了一种可行的方法。同时本论文所研究的微尺度光斑束下的μLSP在对沟、槽、孔等局部不规则表面进行选择性强化时,具有较高的强化效率和很大的灵活性。首先,本文在介绍μLSP原理的基础上,简述了选择准分子激光器及20～200μm直径光斑束的原因;对μLSP进行了特性分析:包括微尺度效应、μLSP材料的弹塑性形变理论、μLSP材料流体理论、材料非线性及考虑径向冲击力与轴向冲击力的综合作用的必要性。其次,考虑激光照射靶材过程中液相区的形成条件,根据流体动力学的质量连续性、动量守恒和能量守恒方程,建立了μLSP液相区的流体力学模型。并在此基础上,对有约束层的LSP过程中存在的液相区进行了数值计算。与已有实验结果对比,液相区的存在对冲击波压力峰值的影响是存在的,在某些需要精密计算压力峰值的情况下是需要考虑的因素。再次,通过对比混合单元模型与纯有限单元模型计算结果的差别,将无限单元引入μLSP仿真计算;考虑了冲击过程中靶材前后近表面的层裂条件,特别是靶材与涂层结合面的粘结强度;建立了径向方向上的半无限物理模型;引入了等离子体径向冲击力的概念,特别是建立了考虑径向冲击力的两维等离子体压力模型,在此模型下的仿真结果与实验结果更接近,进一步提高了仿真的精确度,弥补了一直以来LSP和μLSP仿真研究中只是利用一维压力进行载荷施加的不足;确定了本研究参数下多次冲击的回弹时间;在此基础上,系统的分析了不同功率密度、光束半径在多次冲击下对塑性变形和残余应力的影响:通常情况下,应力影响区域和应力曲线的波动幅度随着光束半径的增加而增大;塑性变形对功率密度较为敏感,变形深度随着功率密度的增加而增大,变形影响区域随着光束半径的增大而逐渐增宽;对于同样的光束半径,在较大的功率密度下,冲击次数对塑性变形的影响更大。随后,对μLSP的冲击波传播进行了有限元仿真。计算表明:选择node list或point list路径模式对于μLSP的精确计算过程来说是较为合适的,应力波的衰减与所选路径的长度无关;对于较大的光束半径,应力曲线表现了明显的波传播特性:而对于较小的光束半径,应力波很快衰减。应力峰值在降至HEL前,随着功率密度和脉冲数的增加而增大;降至HEL后,弹—塑性波衰减为弹性波,自此以后应力峰值与脉冲数无关,直至最后以声波传播;确定了在本研究参数条件下测定冲击波的理想涂层厚度。最后,用准分子激光器对直径20～200μm光斑束进行了μLSP实验。实验确定了带有适当厚度涂层的μLSP为纯力学效应;确定了脉冲能量、脉冲数和涂层厚度是影响塑性变形深度的主要因素;测定了经过μLSP后,表面和深度方向的残余应力有了大幅度提高;测定了强化后整个冲击区的表面硬度和所有强化区的平均硬度得到了改善,脉冲数对表面硬度的影响较大;经过电化学测试,确定了Al、Cu试样的耐腐蚀性明显增强;经过磨损减薄实验,试样耐磨性明显提高。本文的研究成果,丰富了μLSP理论与实验研究,使μLSP的研究覆盖了全微米尺寸段;为MEMS组件μLSP的参数优选提供了有益的参考;为μLSP的进一步研究与应用奠定了理论与实验基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的来源
• 1.2 选题的目的和意义
• 1.3 激光冲击强化技术的优点
• 1.4 激光冲击强化技术的发展及其现状
• 1.5 本论文的篇章结构及创新
• 2 微尺度激光冲击强化（μLSP）技术
• 2.1 μLSP原理
• 2.2 激光器及研究光斑大小的选择
• 2.3 μLSP的特性分析
• 2.4 本章小结
• 3 激光冲击过程液相区流体力学模型及仿真
• 3.1 理论模型
• 3.2 方程与边界条件
• 3.3 仿真计算及分析
• 4 μLSP的ABAQUS有限元建模与分析
• 4.1 前言
• 4.2 理论模型
• 4.3 模拟条件
• 4.4 冲击波加载压力
• 4.5 材料的本构模型及材料的层裂
• 4.6 无限单元的引入及回弹时间的确定
• 4.7 仿真结果和分析
• 4.8 本章小结
• 5 μLSP冲击波传播的数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 模型的建立及路径的选择
• 5.3 光束半径对冲击波的影响
• 5.4 激光功率密度对冲击波的影响
• 5.5 冲击次数对冲击波的影响
• 5.6 本章小结
• 6 准分子激光微尺度激光冲击强化实验分析与讨论
• 6.1 引言
• 6.2 实验系统及样片
• 6.3 光斑尺寸的确定
• 6.4 塑性变形分析
• 6.5 残余应力分析
• 6.6 硬度分析
• 6.7 腐蚀性分析
• 6.8 耐磨损分析
• 6.9 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 未来展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读学位期间发表学术论文目录