激光水下表面微织构实验及机理研究

论文摘要

表面形貌对材料的表面性质具有重要影响,因此,制造表面形貌的微织构技术随之产生。激光表面加工是一种重要的表面微织构技术。以往研究人员多数在空气中进行激光表面微织构技术的研究,当微织构过程发生在液体环境时,液体环境的约束、冷却以及激光诱导空化现象等对光-物作用过程和效果有重要影响,目前相关研究还较少。本文使用纳秒脉冲激光在水环境下对304不锈钢表面进行了微织构实验,围绕其表面形貌的参数影响规律和形成机制进行了系统的研究。主要研究内容和结论如下:（1）实施了纳秒激光水下表面微织构工艺实验。在表面得到了横向尺寸2μm以下的微孔结构。结果表明:脉冲宽度增加会增大微孔的横向尺寸;扫描速度降低会增加表面微孔数量;扫描速度降低、激光能量密度增加均会使得微孔加深;激光能量密度增加可以使得微结构的表面更平滑;随着加工次数的增加微孔的数量和深度增加。当以超薄金属箔材为靶材,采用水下表面织构的方法可成功制备大面积分布的通孔结构。（2）通过EDS分析、金相分析及高速相机拍摄等对水下表面织构形貌的形成机制进行了实验研究。结论如下:激光作用于材料表面引起的温度升高诱导产生了空泡,空泡溃灭形成水射流冲击靶材表面去除材料是形成微孔的直接原因;脉冲宽度的增加会引起空泡直径的变大,从而导致了微孔尺寸的增加;随着扫描速度的降低,空泡的分布密度会逐渐增加,导致了微孔数量的增加;增大激光能量密度可以增加空泡数量;增加加工次数可增加固定区域内空泡数量,最终实现制备大面积群微孔织构。足够的空泡数量是群微孔结构形成的必要条件。表面微孔的数量存在饱和状态,微孔数量达到饱和状态时,空泡数量的增加不能继续增加微孔的数量,但是由于水射流的多次冲蚀导致了微孔深度的增加。空泡的直径决定了饱和状态时表面形貌的尺度。（3）实验研究了表面微结构对水射流冲蚀材料过程的影响。结果表明,表面微结构会使得空泡在脉动过程中发生倾向性移动;当空泡脉动过程中最大直径范围内存在微结构时会对水射流的冲蚀材料表面的位置产生诱导作用。利用该特性,有望实现水射流诱导性定域加工。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 激光表面微织构研究现状
•   1.3 激光水下表面微织构的研究现状
•   1.4 本课题研究意义及研究内容
• 第二章 金属材料对激光的吸收及空泡动力学理论
•   2.1 金属材料对激光的吸收理论
•     2.1.1 Fresnel公式
•     2.1.2 金属材料对激光的吸收
•     2.1.3 金属材料吸收率的影响因素
•   2.2 空泡的动力学理论
•     2.2.1 空泡的产生
•     2.2.2 理想球形空泡的动力学理论
•     2.2.3 空蚀机制理论
•   2.3 本章小结
• 第三章 激光水下表面微织构参数对形貌影响的实验研究
•   3.1激光水下微织构实验
•     3.1.1 实验方案
•     3.1.2 实验设备及材料
•   3.2 激光水下表面微织构的典型形貌
•   3.3 脉冲持续时间对表面形貌的影响
•   3.4 扫描速度对表面形貌的影响
•   3.5 激光能量密度对表面形貌的影响
•   3.6 加工次数对表面形貌的影响
•   3.7 箔材通孔微织构实验
•   3.8 本章小结
• 第四章 激光水下微织构过程及机理研究
•   4.1 EDS成分分析
•   4.2 金相分析
•   4.3 激光水下微织构过程实验及分析
•     4.3.1 实验方案
•     4.3.2 实验设备
•     4.3.3 实验结果及分析
•   4.4 高频激光同点烧蚀过程实验及分析
•     4.4.1 实验方案
•     4.4.2 实验设备
•     4.4.3 实验结果及分析
•   4.5 表面结构对水射流冲蚀影响的实验及分析
•     4.5.1 实验方案
•     4.5.2 实验设备
•     4.5.3 实验结果及分析
•   4.6 微孔数量饱和状态形成机理及形成条件分析
•   4.7 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文及其他科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴淼

导师: 叶云霞

关键词: 纳秒激光表面微织构,表面形貌,水环境,激光诱导空泡,水射流

来源: 江苏大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 江苏大学

分类号: TN249

总页数: 71

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