结构氧化铝的一维多脉冲激光加工：表面形态的发展外文翻译资料

 2022-10-14 06:10

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结构氧化铝的一维多脉冲激光加工：表面形态的发展

Hitesh D. Vora amp; Soundarapandian Santhanakrishnan amp;

Sandip P. Harimkar amp; Sandra K. S. Boetcher amp;

Narendra B. Dahotre

摘要：对于激光-材料交互作用的发展和理解已经带领了先进结构陶瓷的制造。使用各种不同的传统制造技术来进行有效率的制造一度被认为几乎是不可能的。然而，沿着光滑的抛光表面以此达到更高的材料切除率是一个至关重要的因素。在本研究中，一个基于COMSOLtrade; Multiphysics的多级计算模型被设计和开发出来用于研究多重激光脉冲对于氧化铝表面粗糙度演变的影响。这个计算模型采用了各种各样的热传导、流体动力学边界条件和热机性质来实现对不同激光处理条件下表面粗糙度的更准确的预测。结果表明，表面粗糙度随着脉冲速率的增加而增加。这个计算模型的结果同样被实验观测结果在一个很合理的置信区间内被验证。

关键词：Nd:YAG 激光器、激光加工、多重脉冲、氧化铝、计算模型、表面粗糙度

缩略语：

Nd:YAG 掺钕钇铝石榴石

CO2 二氧化碳

rho; 密度（千克每立方米）

Cp 定压比热容（焦耳每千克每开氏度）

k 热导率（瓦特每米每开氏度）

T 温度（开尔文）

t 时间（秒）

x 横坐标

y 纵坐标

delta;m 融化温度下的归一化函数（每开尔文）

delta;v 汽化温度下的归一化函数（每开尔文）

H′ 平滑海维赛德函数

B 某一特定相（固相、液相或者气相）

Tx 两相间的转化温度，固-液或者液-气（开尔文）

mod 模函数

u 横坐标速率（米每秒）

v 纵坐标速率（米每秒）

p 压强（牛顿每平方米）

Ts 瞬时表面温度（开尔文）

SiO2 氧化硅

Fe2O3 氧化铁

R2O 碱金属氧化物或溶剂氧化物

mu;m 微米（10minus;6m）

Rt 表面轮廓最大高度（微米）

Rp 表面轮廓最大峰高（微米）

Rv 表面轮廓最大谷深（微米）

1 介绍

由于良好的高温稳定性、高温抗变形能力、优良的磨损和热冲击抗力、化学惰性、极好的电气性能以及低密度，氧化铝、氧化锆、氧化镁、碳化硅和氮化硅这些结构陶瓷被认为是最通用的一类材料[1–4]。因此，结构陶瓷广泛应用在各种行业中，包括汽车、航空航天、医学、印刷业、纺织业和电子行业[1–4]。然而，由于它们的低断裂韧性（(~3–5 MPamfrac12;）以及高硬度（~1,200–2,200 努氏硬度），它们很难使用常规加工技术进行制造，比如磨削、切削和抛光[5–10]。而且，很多其他的研究者[11–16]也报道指出这些加工方法会带来很多缺陷，例如过度的工具磨损程度、尺寸精度不足、对工件的机械以及热损伤、更低的材料切除率和表面以及亚表面的裂纹。

很多研究人员[17–21]已经证明了激光最近的发展已经推动了在以前几乎是不可能使用各种常规加工方法有效加工的先进结构陶瓷的机械加工。特别是一维激光加工技术（工件和激光束都固定）已经成功地应用在很多工业领域[21–24]，例如航空航天（喷嘴导静脉和燃气轮机中的冷却孔）、汽车（燃油喷射喷嘴）以及电子行业（电路板）。一维激光加工的几个缺点以及很多尺寸方面的问题是有着内在联系的。几个被报道的突出问题是重铸层形成在机械加工表面，上表面形成飞溅，机械加工面不平行，尺寸精度不够，更大的热影响区以及微裂纹的形成[21, 25,26]。在过去一段时间里，研究者们已经发布了相当多的实验和计算工作，通过采用不同类型的激光（CO2、激态原子以及Nd:YAG）来达到提高激光加工质量的目的。这些激光既能以连续波（CW）的模式操作也能以脉冲模式（PM）（毫秒、纳秒、皮秒以及飞秒激光）操作。连续波模式时，激光束的输出能量在一段时间内是持续输出的，反之在脉冲模式时，激光将能量集中在短时间内大功率输出。脉冲激光既能以单脉冲发出也能间隔相同时间以一系列脉冲（多重）发出。两种情况中，激光的瞬时能量密度都能够达到非常高（~107J/m2），结果导致更多体积的材料会被消除[1, 2]。在过去，Samant及其同事[1, 2, 14, 27, 28]曾使用实验和计算的方法来解释对于各种陶瓷（氧化铝、氧化锆、氧化镁、氮化硅以及碳化硅）的一维激光加工中的材料切除机制。他们的研究显示出更高的材料切除率能够通过使用多重激光脉冲达到并且这种方法被视为一种更合适的结构陶瓷加工方法[1, 2, 8, 26, 31]。然而，他们工作的主要焦点在于通过选择最理想的激光加工参数以及忽视与表面光洁度有关的因素来提高材料切除率。因此，一维激光加工产生的非理想表面光洁度仍然是待解决的重要问题之一。

鉴于此，现在的作者们已经优化了基于COMSOLtrade; Multiphysics的经实验验证的计算模型来理解单一激光脉冲在氧化铝的激光加工上的影响及其对于表面光洁度的后续影响。可以观察到使用单一激光脉冲时表面粗糙度随着激光能量密度的增加而增加。作为这个工作延伸的一部分以及通过理解加工现象背后的基础科学发展基于激光的多维（3D）加工的持续增加的一部分，现阶段的论文研究了在同时使用计算和实验的方法对氧化铝进行一维激光加工（工件和激光束固定）的情况下多重激光脉冲对于表面形态发展的影响。计算模型被研制出用于模拟多重激光然后通过实验观察验证并借此研究多种工艺参数对于激光加工氧化铝表面形态的发展的影响。

2 激光-材料交互作用

由于热处理中的加热（激光束的吸收）和冷却（由于外部的自然对流冷却和辐射造成的块体材料的自淬火和热损失）控制材料中不同的物理现象从而导致温度的升降。当一束高强度激光束(~106 J/m2）击中材料表面时，由于热传导导致表面温度迅速升高。这种表面温度的急剧升高导致表面汽化以及中性原子和微粒随后呈气团释放出来并覆盖相邻的激光-材料交互作用区域[29, 33–35]。而且，从熔化槽中发散开的蒸汽比空气温度显著较低以及密度显著较大，这也导致了蒸汽颗粒重新冷凝回材料表面从而在熔化槽底部形成了反冲压力[29, 33–35]。

激光加工常用的脉冲宽度是0.1~10 ms [1, 2]。这些时间间隔使得材料表面能够加热到汽化温度并且维持一段时间[1,2]。更高的激光能量密度和更短的脉冲持续时间导致反冲压力可能会非常高，从而引发冲击波。这样则会像众多研究者[29, 33, 34]提出的一样在液态熔池中产生流体动力学熔体运动。因此，液态金属会从激光-材料交互作用区域喷射出来。喷射出的熔融物一离开激光-材料交互作用区域温度就会大幅度降低。而且，表面温度一旦低于汽化温度反冲压力对于熔融物的作用便会失效。在激光脉冲作用的最后，表面张力和重力使得液态材料重新流回原来的位置。由于自淬火作用和更高的冷却速率（~105K/s），液态材料瞬时凝固并且形成液态冠状或者液态堆积。进一步的，Dahotre及其同事[1, 2, 14, 15]报道了由于表面张力决定固化材料的形状从而产生了切线应力。因此，一个显著的表面形态产生于激光加工表面（Fig. 1）。

研究者们已经观察到，在单脉冲（(~106 J/m2）的作用下，激光-材料交互作用区域（~10minus;10m3）会在一个非常短的时间（(lt;0.5 ms）内达到极高的温度（gt;8,000 K）[32]。因此，它使得在这些苛刻的条件（高温、作用时间短以及作用范围小）下原位测量材料的热物理性质变得非常困难。因此，通过实验分析来研究表面形态的发展是一个非常大的挑战。所以，计算模型方法（通过有限元方法）被成功地应用在现阶段的研究中。

Fig. 1 激光-材料交互作用原理图以及相关表面效应

3 建模方法

脉冲激光模式下，保持工件和激光束固定，既可以通过单一激光脉冲也可以通过多重激光脉冲来实现一维激光加工。两种情况下平均激光能量密度（每一脉冲能量/激光束表面积）非常高（(~106J/m2），造成很高的材料损耗。同样的，通过增加脉冲数能够达到很高的材料切除率。为了获得更高的材料切除率，脉冲激光提供了多重激光脉冲（同时是结构陶瓷的激光加工首选）。因此，在现阶段的研究中，多重激光脉冲对于表面形态发展的效应被建模用来理解不同条件下的激光加工机制。接下来，对于这种机制的理解可被延伸至用于预测多维激光加工工艺下的表面形态。

在脉冲激光加工中，短脉冲宽度的多重激光脉冲以重复的方式被释放（Fig. 2a, b）。激光加工中的材料切除既可以通过汽化也可以通过熔化溅射实现，并且只取决于激光加工参数，例如平均能量密度、脉冲宽度以及脉冲速率（重复频率）。激光（加热）一直处于工作状态（Fig. 2b）当第一次预设脉冲宽度的脉冲（直至t1）开始应用直至脉冲结束（t2=1/f，单位为秒）时的冷却。加热时表面温度从初始温度（Ti）升高到T1，而当冷却时，温度从T1降到T2（T1gt;T2gt;Ti）。随后，第二次脉冲从t2持续到 t3并且冷却至t4。这个脉冲序列成功地在整个机械加工（至tf）过程中产生了特定数量的脉冲。然而，多重激光脉冲应用时，每一次脉冲的开始温度一般都比初始温度（Ti）更高，导致了平均表面温度（Fig. 2b）的逐渐提升。此外，表面温度的变化，反过来影响了表面粗糙度（形态）发展的机制。因此，显著的表面形态的产生（Fig. 2c）归因于基于激光脉冲参数（Fig. 2d）的多重激光脉冲的影响。

一个流体流动与热传导耦合的二维轴对称计算模型，是基于COMSOLtrade; Multiphysics（Fig. 2c）研发出来的。这个模型用于预测表面在经过各种激光加工状态后的温度、冷却速率和流体速度（这些都是会影响氧化铝表面形态的因素）。一个两步建模方法（Fig. 3）被用于现阶段的计算模型中来预测多重激光脉冲作用下的表面变形。在步骤一中，多相（固-液-气）热传导模型被包含其中用于评估由于汽化造成的材料损耗，并且可以用来预测汽化坑的几何尺寸。

Fig. 2 激光加工工艺原理图：a.多重脉冲激光加工工艺，b.温度-时间函数，c.表面形态发展，d.激光脉冲参数

步骤一计算模型中的初始几何尺寸在Fig. 4中被展示出。为了得到独立几何尺寸的解决方案，对六个不同的网格尺寸进行了网格敏感性分析并且将最佳网格尺寸用于计算（Fig. 3）。水平集方法同样被用于步骤一中来识别液-固和气-液界面。在步骤一中，这些元素被认为是气相因此被排除在几何尺寸中。由步骤一估算出的汽化坑（深度和宽度）几何尺寸在预测最终的表面轮廓中起着非常重要的作用。因此，由步骤一预测出的汽化坑几何尺寸被认为是步骤二的初始表面轮廓。在步骤二中，多相流体流动模型包括了热传导和相变动力学。步骤二的主要目的是估算在各种力（反冲压力、表面张力和重力）作用下汽化坑中的液态材料池的变形贡献以及预测最终的表面形态。综合计算方法包括了氧化铝（Fig. 5）在多重脉冲激光加工下用于预测表面轮廓的各种物理现象。

Fig. 3 多级计算模型方法流程图

3.1 热传导模型

激光加工过程中，材料发生相变（固态到液态到气态或者反之亦然）。除此之外，相变过程中的热吸收和热释放显著地影响了表面温度、反冲压力、熔化槽尺寸和流体速度。因此，氧化铝与温度有关的性质如密度、热导率和比热，都被包含在计算模型中。密度和热导率对于温度（从293.15到3,500 K）的变化在Fig. 6中举例说明。Table 1总结了氧化铝[1, 2, 36–39]的材料性质以及计算模型中的激光加工参数。与相变相关的比热（Cp term）被用于计算模型中，其表达见 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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