激光冲击微凹坑实验研究与数值模拟

摘要

近年来,表面微造型技术以其良好的改善摩擦性能而得到关注与快速发展,激光表面微造型是一种应用广泛的表面微造型方法,然而其主要缺点是消融过程会导致材料熔化、断裂以及改变表面微观组织;激光冲击强化是以对材料改性、提高材料表面完整性为目的,与材料相互作用是机械的过程,不破坏表面质量。综合激光冲击强化技术和激光表面微造型技术而提出的激光冲击表面微造型新方法,其特点是既能克服激光表面微造型的缺点,又能继承激光冲击强化的优点,因此开展此方法的研究对推动微造型的发展具有重要的理论与实际应用价值。
　　 本文以激光冲击微凹坑为研究对象,首先介绍激光冲击微造型的机理,探讨激光与物质相互作用的力学效应、高应变率下材料的动态屈服响应,并详细阐释了激光诱导等离子冲击波的过程、激光功率密度、激光冲击波压力的估算以及激光冲击波的时空分布特性,为之后的激光冲击微凹坑的实验和数值模拟研究提供理论依据。
　　 其次,设计激光冲击微凹坑的实验,研究激光能量、激光冲击次数、离焦量、K9玻璃的厚度对微凹坑造型的形貌的影响。使用AxioCSM700真彩色共聚焦扫描显微镜和VeccoWYKO表面形貌仪观察微凹坑的几何形貌,用HXD-1000TMSC/LCDMH-VK双压头显微硬度计测量微凹坑的内部以及周围表面的硬度。实验结果表明:激光冲击微凹坑的表面形貌具有很好的连续性,微凹坑的直径和深度随激光的脉冲能量、激光的冲击次数、离焦量、约束层K9玻璃的厚度的变化呈现一定的变化规律,微凹坑的影响区域,沿着凹坑径向方向硬度逐渐增加,中心位置硬度最大。从激光冲击微观力学效应方面证实了激光冲击微凹坑能够结合激光表面微造型和激光冲击强化的优点,既能改善材料的摩擦磨损性能,又能提高材料的抗疲劳性能,对材料起到强化作用。
　　 最后,在之前研究者们对激光冲击强化模拟的模型基础上,利用ANSYS和LS-DYNA软件,对有限元模型的建立进行了优化,选择更为精确的参数,综合考虑了冲击波压力的时空分布,对激光冲击微凹坑造型的过程进行了模拟,得到了微凹坑的形貌,验证了模型的正确性。选择合适的高压高应变率材料本构模型,综合ANSYS和LS-DYNA软件的显式、隐式有限元法,模拟了激光能量、冲击次数对微凹坑形貌以及对材料表面残余应力的的影响,并将数值模拟的结果与实验的结果进行比较,从而优化计算激光冲击波压力公式,为进一步优化造型工艺提供更有力的分析工具。