激光微烧结中的等离子体及其影响研究

论文摘要

选区激光微烧结技术（Selective Laser Micro Sintering, SLMS）从选区激光烧结技术发展而来，它通过使用微小光斑与微米级粉末获得高空间分辨的精细三维零件，其工艺简单，速度快，能通过CAD模型制作任意形状的金属零部件。SLMS技术的可行性已经得到实验验证，但是其过程中产生的等离子体及其对激光微烧结过程的影响却缺乏研究，本论文对激光微烧结过程中产生的等离子体及其对烧结质量的影响进行了研究，获得了一些有价值的结果，具体如下：（1）设计了观察激光微烧结中光致等离子体光谱的实验装置，探测到了不同Q开关调制频率和脉宽下的等离子体积分光谱，并采用Boltzmann定理及Stark展宽公式计算了等离子体的温度和电子密度，获得了这些等离子体参数与激光参量的关系。发现：激光微烧结光致等离子体温度都在9000K-9600K的范围内，而且随着Q开关调制频率的增加，等离子体温度不断下降，从5KHz的9600K下降到35KHz的不到9100K。Q开关调制脉宽对等离子体温度影响则不明显。（2）对Q开关调制频率和脉宽分别为5KHz和5μs时的激光微烧结过程中的时间分辨等离子体光谱进行了探测和分析。结果表明：等离子体温度最大值大约为10700K，随后很快下降到9600K；电子密度在等离子体产生的前期上升的非常快，大概在60ns的时候等离子体电子密度达到最大值，电子温度的峰值比电子密度的峰值晚到来约150-200ns。（3）对激光微烧结过程中的等离子体随时间变化的图像进行了拍摄，通过拍摄得到的等离子体照片得到了激光微烧结过程中等离子体的演化过程，并计算了等离子体扩散速度与湮灭速度。研究结果表明：整个等离子体区域分为热等离子体区域和冷等离子体区域，等离子体的冷区在等离子体尺寸增长和下降阶段都变化的特别迅速，而相对于冷等离子体区域，热区尺寸变化则不太明显，而且变化速度也缓慢的多。（4）对激光微烧结过程中的飞溅过程进行了初步探测，发现：在泵浦电流为10A，Q开关调制频率为5KHz、调制脉宽为5μs的情况下，激光的微烧结过程中产生了大量的粉末飞溅，而当调制频率逐步升高到25KHz以上时，飞溅逐渐变小至难以观测到，此外，还将不同烧结工艺参数下样品表面形貌飞溅情况进行了分析并与EDX结果进行比对，并对飞溅原因做了分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 国内外研究动态
• 1.2 研究内容、目的意义
• 2 实验装置及方法
• 2.1 微烧结实验装置
• 2.2 材料准备
• 2.3 分析测试方法
• 2.4 本章小结
• 3 激光微烧结时间积分等离子体研究
• 3.1 实验装置
• 3.2 热平衡状态下等离子体温度与电子密度的计算
• 3.3 典型的时间积分光谱及成分分析
• 3.4 工艺参数对激光微烧结等离子体的影响
• 3.5 本章小结
• 4 时间分辨的激光微烧结等离子体
• 4.1 实验装置
• 4.2 实验结果与分析
• 4.3 本章小结
• 5 激光微烧结飞溅初步研究
• 5.1 实验装置
• 5.2 实验结果及分析
• 5.3 本章小结
• 6 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 攻读硕士学位期间发表论文目录