K24高温合金飞秒激光孔加工技术研究

摘要

飞秒激光凭借超短的脉冲持续时间，拥有极高的峰值功率，能够实现对材料的“冷”加工。使用飞秒激光进行航空叶片气膜孔的加工可以有效的避免或减少加工区域的重铸层和微裂纹，同时还能提高加工的精度，保证孔形的一致性，在航空气膜孔的加工中展现出显著优势。本文主要分析了飞秒激光与金属材料相互作用物理机制，进行了342nm波长飞秒激光对K24高温合金的孔加工技术的理论仿真计算，并开展了相关试验研究。
　　通过分析国内外相关研究，分析飞秒激光对物质材料的电离机制，研究飞秒激光作用金属材料时的能量沉积机制及蚀除模型；建立了飞秒激光作用下靶材中电子和晶格之间能量耦合的理论模型，基于普朗克方程，利用相应的数学推导，建立金属材料对飞秒激光能量吸收的数学模型，获得材料对激光能量的吸收系数和反射系数随时空变化的关系，并确定K24材料在能量耦合模型在的相关参数，为进行飞秒激光与金属材料作用过程的数值仿真提供了理论依据。
　　以K24高温合金材料为研究对象，借助有限元分析手段，针对飞秒激光烧蚀时，材料内电子晶格的温度不平衡进行了仿真分析，确定飞秒激光与K24合金材料相互作用时的能量耦合过程，并通过实验验证模型。
　　利用飞秒激光加工设备，开展飞秒激光对K24高温合金的孔加工试验研究。通过理论分析及试验对比不同激光孔加工方式，合理选择螺旋加工方法，分别采用单因素试验法和正交试验法进行飞秒激光对K24合金的孔加工试验研究，获得了扫描速度、扫描次数、进给距离及激光能量对微孔孔径及形貌的影响规律。通过对比进出口形貌、孔内壁加工质量、锥度等方面，验证了飞秒激光较传统短脉冲激光及长脉冲激光加工的优势。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 激光孔加工技术

1.3 国内外研究现状

1.4 课题主要研究内容

第2章 飞秒激光烧蚀金属材料的理论分析与建模

2.1 引言

2.2 飞秒激光与材料相互作用过程

2.3 飞秒激光烧蚀金属材料能量耦合模型的建立

2.4 本章小结

第3章 飞秒激光作用K24高温合金数值仿真

3.1 引言

3.2 一维双温模型的建立

3.3一维双温方程的数值解法

3.4 数值仿真结果分析

3.5 单脉冲激光蚀除深度研究

3.6 本章小结

第4章 飞秒激光烧蚀K24试验研究

4.1 引言

4.2 飞秒激光加工试验系统及加工方式

4.3 飞秒激光参数对孔加工形貌影响研究

4.4. 正交试验研究

4.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢