【激光表面改性技術(shù)】新疆大學(xué)孫文磊教授等：激光熔覆CoCrFeNiTi高熵合金工藝優(yōu)化及預(yù)測模型研究
2024-09-05 11:55:56
作者：王宇迪，喬紅超，韓冰，張旖諾，梁金盛，王順山，陳燕，趙吉賓 來源：表面云社區(qū)
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水導(dǎo)激光作為一門新興加工技術(shù)，具有較低的熱效應(yīng)及較高的精度，逐漸廣泛應(yīng)用于各種硬脆性材料的加工。由于水導(dǎo)激光的燒蝕機理較復(fù)雜，因此材料的燒蝕行為也存在差異。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所喬紅超研究員團隊為了更加深入地研究水導(dǎo)激光作用下SiC材料的燒蝕行為，建立了SiC水導(dǎo)激光加工燒蝕溫度場數(shù)值模型，著重探究了SiC材料加工時溫度場的變化。由于水射流強制換熱作用對加工的影響較大，故將水射流貼壁射流流場換熱進行細分和計算，使得水射流換熱作用與實際加工更接近。SiC到達熔點氣化，結(jié)合Clausius-Clapeyron方程通過氣化帶走熱通量反求出蝕孔的形貌，從而較準確地分析激光燒蝕過程，以及SiC材料加工時溫度場的變化規(guī)律。目前，水導(dǎo)激光燒蝕機理研究還未形成較完善的體系，本研究主要將飛秒激光燒蝕閾值思想融入水導(dǎo)激光燒蝕機理中，并結(jié)合燒蝕實驗探究水導(dǎo)激光作用下SiC的燒蝕閾值，并對SiC材料的燒蝕形貌進行分析和研究，揭示SiC材料的水導(dǎo)激光加工去除行為。采用自主研發(fā)的水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)實驗裝置進行加工，如圖1所示。該系統(tǒng)主要由激光器、水凈化系統(tǒng)、耦合裝置、三維工作平臺、CCD相機、計算機等組成，采用532 nm的Nd:Yag固體激光器，其峰值激光功率為100 W，輸出頻率為50 kHz，脈沖寬度為100 ns。為了減少水對激光能量的吸收，將實驗用水過濾、去離子和除氣，調(diào)節(jié)高壓水泵，使得水壓穩(wěn)定在30 MPa。激光束被聚焦在直徑70 μm的水噴嘴中，并與水射流進行耦合，形成水束光纖，激光能量通過水射流被引導(dǎo)至工件，完成加工。
通過水導(dǎo)激光系統(tǒng)實測的激光能量在水束截面中的能量分布如圖2a所示。當(dāng)水射流到達工件表面后，激光能量密度在加工區(qū)域表面均勻連續(xù)分布，該能量分布近似為頂帽分布。頂帽函數(shù)f(r)的圖像函數(shù)如圖2c所示。對比高斯分布激光，水導(dǎo)激光蝕孔徑深度更淺、更寬，如圖2b所示。為了使燒蝕區(qū)域過渡平滑，將均勻分布高密度能量與周圍低密度能量過渡區(qū)域進行了平滑處理。
為了簡化仿真計算，采用定點燒蝕方式對水導(dǎo)激光加工SiC的溫度場進行仿真數(shù)值模擬，燒蝕區(qū)域內(nèi)最高溫度隨時間的變化趨勢仿真情況如圖3a所示。在加熱階段初期，溫度迅速上升，隨著加熱的進行，最高溫度逐漸趨于平穩(wěn)。這是由于材料表面能量向基體內(nèi)部能量擴散，抑制了表面溫度的上升速率，使得材料在去除階段的表面溫度基本保持恒定；在快速冷卻階段，加工區(qū)域在水射流強制對流換熱、材料內(nèi)部熱傳遞及空氣對流的共同作用下迅速冷卻。隨著冷卻時間的延長，靶材表面的溫度及溫度梯度減小，抑制了材料內(nèi)部熱擴散量和表面對流熱損失，故材料仍然存在熱量殘余，脈沖強度的重復(fù)導(dǎo)致表面殘余溫度持續(xù)上升，溫度的增加量隨著脈沖不斷疊加逐漸減小。
在功率10 W、不同脈沖數(shù)的作用下，SiC燒蝕形貌如圖4所示，隨著脈沖的疊加，SiC燒蝕直徑與熱擴散區(qū)域基本不發(fā)生變化，燒蝕深度逐漸增加。可見，在保證激光其他參數(shù)不變的條件下，保持激光功率不變時，SiC多脈沖水導(dǎo)激光燒蝕直徑基本恒定。在激光功率與脈沖數(shù)的共同作用下，SiC燒蝕寬度和燒蝕深度的變化趨勢如圖5a所示。在激光–水射流復(fù)合加工過程中，隨著激光功率密度的增加，所形成的等離子體的密度會不斷增加，熱阻塞效應(yīng)會加劇，相應(yīng)材料所吸收的激光能量會減弱。在激光–水射流復(fù)合加工過程中，隨著激光功率密度的增加，所形成的等離子體的密度會不斷增加，熱阻塞效應(yīng)會加劇，相應(yīng)材料所吸收的激光能量會減弱。
在不同功率下的二維形貌及切口輪廓截面形狀如圖6所示。由于激光能量在水射流中心近似為高斯頂帽分布，射流中心能量密度較大，材料更易被燒蝕，而其外側(cè)附近能量較弱，加上水射流局部換熱較強，較難達到材料的燒蝕條件，使得截面輪廓整體呈倒梯形，且隨著激光功率的增加，溝槽深寬比逐漸增大。SiC燒蝕邊緣與未加工邊緣過渡平滑，與常見激光加工不同，加工邊緣不會產(chǎn)生較厚的重鑄層，燒蝕區(qū)域形成的軟化物質(zhì)基本被水射流沖刷而剝離，不會富集在材料表面，使得燒蝕區(qū)域基本無明顯熱影響區(qū)。在加工完成后，會在側(cè)壁表面形成帶狀條紋，該條紋垂直于進給方向。這主要因水射流接觸熔池底部后沿著平行于側(cè)壁的方向噴射，將熔融物沿底部向溝槽上方?jīng)_刷，燒蝕區(qū)域底部無明顯重鑄物堆積，較為平整。由于存在水射流冷卻和沖刷作用，因此水導(dǎo)激光在加工硬脆性材料時具有相對較好的優(yōu)勢，基本可以實現(xiàn)對硬脆性材料無裂紋及無熱影響加工。
通過對SiC水導(dǎo)激光進行仿真模擬與燒蝕實驗研究，在水導(dǎo)激光加工SiC過程中，水射流不僅存在較強的換熱能力，減少了多脈沖燒蝕帶來的熱累積效應(yīng)，而且大幅度降低了SiC脈沖期間材料的內(nèi)部余熱，加工材料內(nèi)部殘余溫度飽和速度較快。通過計算燒蝕功率閾值可知，對于SiC材料，其燒蝕功率閾值基本恒定。燒蝕區(qū)域面積會隨著激光功率的增加逐漸從激光輻照區(qū)域中心向外擴散，燒蝕寬度隨激光功率增加得較為明顯。由于水射流對激光輻照區(qū)域的外換熱能力較強，因而擴散區(qū)域的長度不會太長，使得燒蝕寬度基本不受脈沖數(shù)的影響，并確定激光功率與燒蝕寬度存在定量關(guān)系。SiC這類硬脆性材料在高溫下的斷裂強度較低，水射流沖刷作用更易將燒蝕區(qū)域熔融物質(zhì)及軟化物質(zhì)快速從靶材中剝離，防止重凝物質(zhì)附著在加工區(qū)域底部及表面，使得燒蝕區(qū)域邊緣與未加工邊緣過渡較為平滑，底部基本無熔融物堆積。隨著燒蝕深度的增加，水射流狀態(tài)容易受到溝槽內(nèi)壁形貌的影響，使得激光無法直接作用于物體表面，大量能量會被水層吸收，相應(yīng)地增大激光燒蝕功率能夠有效提高水導(dǎo)激光燒蝕能力，更易實現(xiàn)對SiC較大深寬比溝槽的加工。由于無法準確觀測水導(dǎo)激光燒蝕SiC材料的具體過程，故后續(xù)需要通過實驗與檢測手段進一步完善SiC水導(dǎo)激光燒蝕機理。
該文章發(fā)表在《表面技術(shù)》第53卷第13期
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王宇迪, 喬紅超, 韓冰, 等. 水導(dǎo)激光燒蝕碳化硅仿真與實驗研究[J]. 表面技術(shù), 2024, 53(13): 164-174.
WANG Yudi, QIAO Hongchao, HAN Bing, et al. Simulation and Experimental Study of Water Jet-guided Laser Ablation Silicon Carbide[J]. Surface Technology, 2024, 53(13): 164-174.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.016
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