微尺度激光喷丸强化TiN薄膜的响应及力学性能研究

摘要

微尺度激光喷丸强化是一种主要应用于微小金属构件或金属薄膜材料表面处理的技术,其采用微米量级的高能短脉冲激光束诱导的高压冲击波在材料表层形成一定的有益残余压应力分布,从而达到改善材料表面的抗磨损、抗腐蚀及疲劳性能等。本文在详细分析微尺度激光喷丸强化理论机理的基础上,采用数值模拟和实验研究相结合的方法,对微米厚度的TiN薄膜表面进行微尺度激光喷丸强化处理,主要研究工作如下:
　　 介绍了微尺度下激光诱导等离子体冲击波的传播特性及其波前运动方程,并在此基础上探讨了微尺度下冲击波的二维压力模型；根据冲击波与固体材料的相互作用机制,分析了金属材料在动态高压冲击波作用下的塑性变形过程以及残余压应力的产生机理；从应力强化和组织强化两方面讨论了材料表面在激光冲击波作用下的微观强化机理。
　　 在微尺度激光喷丸强化过程的有限元理论及关键技术分析处理的基础上,采用有限元软件ABAQUS,建立了微尺度激光喷丸强化薄膜-基体结构的有限元数值模型；计算并分析了TiN薄膜-硬质合金基体由于热失配引起的残余热应力,以及经单点微尺度激光喷丸后所形成残余应力的大小和分布。
　　 利用Design Expert统计优化软件的响应面功能,基于数值模拟结果,分析了三种激光工艺参数(激光功率密度、激光光斑直径和喷丸次数)在三种不同水平的组合下对薄膜残余应力场的影响程度；在此基础上,建立了多参数作用下TiN薄膜表面平均残余压应力的二次回归模型。
　　 对TiN薄膜试样进行了微尺度激光喷丸强化实验,并对实验前后试样的表面形貌、摩擦性能、残余应力及纳米硬度等进行了检测和分析；研究了不同激光工艺参数对各响应值的影响规律,并与数值模拟结果进行了比较,从而验证了有限元分析模型的有效性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.1.1 微型机械概述

1.1.2 微型机械发展所面临的问题

1.2 微尺度激光喷丸强化技术

1.2.1 微尺度激光喷丸强化的基本原理

1.2.2 微尺度激光喷丸强化的技术特点及影响因素

1.2.3 微尺度激光喷丸强化的研究现状

1.3 本课题的研究意义及主要研究内容

1.3.1 本课题的研究意义

1.3.2 本课题的主要研究内容

第二章 微尺度激光喷丸强化的理论研究

2.1 微尺度下激光诱导等离子体冲击波压力模型

2.1.1 激光诱导等离子体冲击波及其波前运动方程

2.1.2 微尺度下激光诱导等离子体冲击波压力模型

2.2 激光冲击波作用下的弹塑性变形和残余应力场

2.2.1 激光冲击波与固体材料的作用机制

2.2.2 塑性变形过程

2.2.3 残余压应力及其产生机理

2.3 材料表面的微观强化机理

2.3.1 应力强化机理

2.3.2 组织强化机理

2.4 本章小结

第三章 微尺度激光喷丸强化TiN薄膜的数值模拟

3.1 TiN薄膜的有限元数值模型

3.1.1 ABAQUS软件简介

3.1.2 数值模拟的基本思路

3.1.3 薄膜-基体结构的数值模型

3.2 数值模拟过程中关键技术的处理

3.2.1 有限元网格的划分

3.2.2 薄膜初始应力场的设置

3.2.3 微尺度下激光诱导冲击波压力

3.2.4 材料的本构模型

3.3 TiN薄膜残余应力的数值模拟结果分析

3.3.1 TiN薄膜残余热应力场分析

3.3.2 单点微尺度激光喷丸强化后TiN薄膜残余应力场分析

3.4 基于Design-Expert的微尺度激光喷丸强化残余应力场统计分析

3.4.1 响应面分析

3.4.2 微尺度激光喷丸强化TiN薄膜残余应力场响应面分析

3.5 本章小结

第四章 微尺度激光喷丸强化TiN薄膜的实验研究

4.1 TiN薄膜试样的制备

4.2 微尺度激光喷丸强化实验

4.2.1 实验装置

4.2.2 实验方案

4.3 微尺度激光喷丸强化实验结果分析

4.3.1 表面形貌

4.3.2 摩擦系数

4.3.3 残余应力

4.4 TiN薄膜表面纳米压痕测试

4.4.1 纳米压痕技术的基本思想和理论基础

4.4.2 TiN薄膜表面纳米压痕测试

4.4.3 TiN薄膜表面残余应力定性表征

4.5 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