2A02铝合金激光诱导空泡力学效应及其强化机理的研究

摘要

空化是在水利机械中普遍存在的一种流体运动，一般指液体内部局部压力降低时，液体或液固交界面上蒸汽或气体的空穴（空泡）的形成、发展和溃灭的过程。倘若空泡在固壁面附近，还会发生趋壁效应，在该过程伴随着冲击波和微射流现象。同时随着科技的进步，工业技术不断发展，激光技术已在各个领域上得到推广和应用。本文结合水利机械的空蚀成因，提出了在水环境中激光对靶材的强化技术，即激光空化强化技术。由于激光产生的空化泡具备良好的球对称性、容易控制和无机械形变等优点，正逐渐成为研究空化现象的重要工具。本文以提高材料的强度，延长其使用寿命为目的，对激光空化强化技术进行了理论和实验的研究。主要研究内容与研究成果如下：
　　(1)研究了脉冲激光对水下靶材的力学效应。在与传统激光冲击强化技术比较的基础上，分析了水下激光诱导等离子体冲击波的形成和发展机理；研究了水下激光空化泡动力学理论，分析了水下激光空化泡的产生过程、脉动特性及其运动方程等；以2A02轻质铝合金为研究对象，探究了近壁面环境下激光空泡趋壁效应的动力学运动过程，主要包括近壁面激光空泡的脉动特性，近壁面激光空泡溃灭诱导的冲击波和射流。
　　(2)搭建了实验平台，利用压电传感器探究了激光空化对水下靶材声压信号及其力学效应的影响。对比并讨论了不同入射方向的脉冲激光对水下靶材产生声压信号强弱及其表面形貌的影响，确定了合理的激光入射方向；根据声压信号与力学效应之间的换算关系，定性地计算出作用在靶材表面的冲击压力，并与靶材的屈服强度加以对比，得出靶材发生塑性变形，产生残余压应力的结论，验证了该强化技术的可行性和有效性。
　　(3)对激光空化后的靶材进行了力学性能的测试，主要包括其残余应力、表面硬度、表面粗糙度及表面形貌等；讨论了在不同激光能量和离焦量H的作用下，靶材在强化前后力学性能的变化趋势，总结和分析了激光空化对靶材的强化规律。