金属箔材飞秒激光冲击成形实验研究

摘要

近年来随着微机电系统的发展，金属箔材零件被大量应用在电子和MEMS产品中，飞秒激光冲击成形由于柔性好、精度高等优点，在微小零件制造方面开始得到关注。国内外多个研究小组开始从理论和实验方面对此进行了研究，但是总体而言，飞秒激光冲击成形研究尚处于起步阶段，且与纳秒激光冲击相比，飞秒激光冲击具有峰值压力更高、应变率更高等鲜明特点，纳秒激光冲击方面已经取得的大量研究成果，不能简单“移植”于飞秒激光冲击过程。因此，有关飞秒激光冲击，在理论、工艺和技术等方面都存在巨大研究空间。
　　本文对飞秒激光冲击成形金属箔材进行了实验研究，旨在探究飞秒激光冲击成形的工艺规律以及金属材料的塑性变形机制。主要研究内容和结论如下:
　　（1)系统研究了激光脉宽、冲击次数、约束层、夹持孔径对变形量的影响规律。飞秒激光冲击过程中，约束层有助于提高冲击波的峰值压强，且高阻抗约束层的约束效果优于低阻抗约束层;约束层破坏机制有两种:非线性吸收和机械胀破。当峰值功率密度过高时，约束层通过非线性吸收机制吸收入射激光，不利于激光诱导冲击波。合理选择激光峰值功率密度，可有效避免约束层非线性吸收。当不存在约束层非线性吸收，且单脉冲能量一定时，激光脉宽越窄，激光诱导箔材变形量越大;在其它工艺参数一定时，变形量随冲击次数先增加后趋于饱和;由于飞秒激光脉冲宽度非常短，塑性变形影响区小，夹持孔径大小对冲击效果几乎没有影响。
　　(2)通过光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对飞秒、纳秒激光冲击纯铜和纯铝的变形机制进行了对比研究。实验结果表明:飞秒激光冲击一次后，纯铜中出现大量位错和少量堆垛层错;飞秒激光冲击二次后，纯铜中位错密度和堆垛层错量大量增加，且出现大量孪晶。而纳秒激光冲击纯铜，其塑性变形机制主要为高密度位错，且由于变形量较大，高密度位错会诱导晶粒细化。对于纯铝材料，飞秒激光冲击一次后，其微观组织特征主要是短而离散的位错线和平直位错滑移线;飞秒激光冲击二次后，位错线长度增加。而纳秒激光冲击纯铝材料后，其变形机制主要为弯曲的位错墙和高密度位错缠绕。
　　(3)超高应变率飞秒激光冲击成形过程中，堆垛层错和孪晶逐渐成为金属材料的塑性变形机制。层错能越低，越易形成层错和孪晶，而层错能越高，形成层错和孪晶的难度较大，但是应变率升高，形成层错和孪晶的倾向会变大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 激光成形技术的研究意义

1．2 激光成形技术的分类和研究现状

1．2．1 激光热应力成形

1．2．2 激光喷丸成形

1．2．3 激光冲击成形

1．3 飞秒激光冲击成形的研究意义和现状

1．3．1 飞秒激光冲击成形技术研究意义

1．3．2 飞秒激光冲击成形技术研究现状

1．4 本课题主要研究的内容

第二章 飞秒激光冲击成形的理论基础

2．1 飞秒激光烧蚀

2．2 激光诱导冲击波的峰值压力估算

2．3 飞秒激光冲击诱导塑性变形应变率估算

2．4 本章小结

第三章 飞秒激光冲击成形的工艺研究

3．1 飞秒激光冲击实验

3．1．1 实验设备

3．1．2 试样制备过程

3．2 飞秒激光冲击成形工艺实验结果

3．2．1 飞秒激光冲击过程中约束层的破坏机理

3．2．2 宏观塑性变形

3．2．3 激光脉宽对冲击效果的影响

3．2．4 冲击次数对冲击效果的影响

3．2．5 不同约束层对冲击效果的影响

3．2．6 夹具孔径对冲击效果的影响

3．3 本章小结

第四章 飞秒激光冲击成形的变形机制

4．1 实验过程

4．2 主要实验仪器

4．3 应变、应变率、峰值压强的估算

4．4 飞秒、纳秒激光冲击铜箔的OM和SEM结果分析

4．5 飞秒、纳秒激光冲击铜箔的TEM结果分析

4．5．1 原始铜箔的TEM微观结构

4．5．2 铜箔经飞秒激光冲击扫描一次后的微观结构

4．5．3 铜箔经飞秒激光冲击扫描二次后的微观结构

4．5．4 铜箔经纳秒激光冲击一次后的微观结构

4．5．5 分析讨论

4．6 飞秒、纳秒激光冲击铝箔的TEM结果分析

4．6．1 原始铝箔的TEM微观结构

4．6．2 铝箔经飞秒激光冲击扫描一次后的微观结构

4．6．3 铝箔经飞秒激光冲击扫描二次后的微观结构

4．6．4 铝箔经纳秒激光冲击一次后的微观结构

4．6．5 分析讨论

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

攻读硕士学位期间发表的论文及专利