本文關(guān)鍵詞：激光沖擊表面微造型的理論和實(shí)驗(yàn)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：表面微造型能提高摩擦性能、生物醫(yī)學(xué)性能以及光學(xué)性能;同時(shí),表面微造型也能控制表面潤(rùn)濕性以及增強(qiáng)粘結(jié)接頭的強(qiáng)度等。從大尺度的機(jī)械組件到微尺度的MEMS都有可能需要進(jìn)行表面微造型。表面微造型方法主要有:珩磨技術(shù)、LIGA技術(shù)和準(zhǔn)LIGA技術(shù)、微細(xì)電解加工、反應(yīng)離子刻蝕、超聲波加工、激光表面微造型。其中,以激光為能量源的表面加工技術(shù),由于自動(dòng)化程度高、可控性好、效率高等優(yōu)點(diǎn)更是備受關(guān)注。另外,激光器件和激光加工理論的發(fā)展,促進(jìn)了激光表面微造型技術(shù)的發(fā)展。因此,催生了多種以激光為能量源的表面微造型技術(shù)。主要有基于燒蝕的激光表面微織構(gòu)、基于熔化的激光毛化和激光沖擊表面微造型。本文在探究激光沖擊強(qiáng)化后金屬材料表面質(zhì)量的基礎(chǔ)上,提出用激光誘導(dǎo)沖擊波實(shí)現(xiàn)表面微造型的方法,并針對(duì)該方法進(jìn)行了較系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:(1)以純銅塊體為靶材,實(shí)施激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn),商用鋁箔膠帶作為吸收層,水作為約束層;用三維輪廓儀,光學(xué)顯微鏡或者掃描電鏡表征銅塊的表面形貌。發(fā)現(xiàn)沖擊后靶材表面出現(xiàn)大量微米級(jí)微缺陷,包括凸起微缺陷和火山口狀凸起微缺陷;理論計(jì)算了激光沖擊過程中金屬表面的溫升,分析了沖擊后靶材表面微缺陷的產(chǎn)生機(jī)理。結(jié)論如下:當(dāng)鋁箔作為吸收層時(shí),鋁箔和靶材之間的粘結(jié)材料中存在氣泡。激光沖擊所致的絕熱壓縮,使氣泡中空氣溫度急速升高,進(jìn)而使得在氣泡位置的金屬材料熔化并且形成微熔池;同時(shí),氣泡膨脹所產(chǎn)生的二次沖擊波作用在微熔池上,進(jìn)而在金屬表面形成火山口狀的微缺陷。如果沖擊和高速形變產(chǎn)生的溫升不足以使金屬熔化,則在不平衡沖擊載荷作用下,在金屬表面形成中間無凹陷的凸起微缺陷。在激光沖擊強(qiáng)化過程中,這種沖擊所致的表面微缺陷會(huì)降低工件表面質(zhì)量。但是,如深入研究上述微凸起形成過程,掌握其形成規(guī)律,實(shí)現(xiàn)形成過程和形成效果可控,則可實(shí)現(xiàn)在金屬零件表面主動(dòng)制造微凸起形貌。(2)為驗(yàn)證上述設(shè)想的可行性,在純鋁箔(不自帶粘結(jié)層)與工件表面之間,主動(dòng)設(shè)計(jì),并成功制造了含有空穴的粘結(jié)層稱之為空穴映射層。本文中,粘結(jié)層材料為數(shù)十微米厚的黑漆,用激光打標(biāo)機(jī)在黑漆上仔細(xì)刻蝕出凹腔或凹槽,以水為約束層實(shí)施激光沖擊。在金屬表面成功制造出預(yù)期的微凸起陣列,微凸起的輪廓形狀和尺度與粘結(jié)層材料中主動(dòng)設(shè)計(jì)的空穴形狀和尺度一致。根據(jù)沖擊波在雙層介質(zhì)中的傳播理論,借助ABAQUS軟件進(jìn)行了數(shù)值研究。結(jié)果表明:當(dāng)寬幅入射沖擊波通過空穴映射層時(shí),被空間調(diào)制為幅值不均勻分布的沖擊波。在不均勻的沖擊波加載下,表面材料從高壓區(qū)流向低壓區(qū)。最后,在金屬表面形成微凸起。(3)初步研究了沖擊加工后金屬表面的力學(xué)性能,以及激光能量、空穴橫向尺寸以及空穴圖案對(duì)微凸起結(jié)構(gòu)的影響。用顯微硬度計(jì)表征了沖擊區(qū)域的硬度,結(jié)果表明:整個(gè)沖擊區(qū)域的硬度都有顯著提高;用三維輪廓儀表征了微凸起結(jié)構(gòu),結(jié)果表明:當(dāng)激光能量低于某一值時(shí),激光能量越大,凸起高度越高。由于密閉空穴內(nèi)壓力的增加,凸起高度不會(huì)無限制增大。而且,太大的激光能量會(huì)導(dǎo)致凸起頂部軟化,降低表面力學(xué)性能�？昭ǔ叽缡怯绊懲蛊鸶叨鹊牧硪粋�(gè)因素,稍大的空穴有利于凸起高度的增加。
【關(guān)鍵詞】：激光沖擊 激光微造型 表面質(zhì)量 微凸起 沖擊波調(diào)制
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG665
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 緒論11-22
• 1.1 表面微造型技術(shù)的研究意義11-16
• 1.2 激光沖擊誘導(dǎo)表面微造型的研究意義16
• 1.3 激光表面微造型技術(shù)的研究現(xiàn)狀16-21
• 1.3.1 激光微織構(gòu)16-18
• 1.3.2 激光毛化18-19
• 1.3.3 激光沖擊微織構(gòu)19-21
• 1.4 本課題研究?jī)?nèi)容21-22
• 第二章 激光沖擊加工的理論基礎(chǔ)22-26
• 2.1 激光沖擊加工原理22
• 2.2 激光誘導(dǎo)沖擊波的峰值壓力估算22-23
• 2.3 沖擊作用下材料的響應(yīng)特性23-25
• 2.3.1 塑性流動(dòng)響應(yīng)23-24
• 2.3.2 溫升響應(yīng)24-25
• 2.4 本章小結(jié)25-26
• 第三章 激光沖擊強(qiáng)化后表面質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)研究26-40
• 3.1 激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)26-29
• 3.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備26-28
• 3.1.2 實(shí)驗(yàn)材料28-29
• 3.2 實(shí)驗(yàn)過程29-30
• 3.3 激光沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析30-38
• 3.3.1 鋁箔膠帶為吸收層時(shí)表面形貌30-32
• 3.3.2 鋁箔膠帶的表面形貌32
• 3.3.3 粘結(jié)材料的微觀檢測(cè)32-34
• 3.3.4 激光沖擊過程中的溫升34-36
• 3.3.5 激光沖擊之后金屬表面的金相組織36-38
• 3.4 本章小結(jié)38-40
• 第四章 激光沖擊誘導(dǎo)表面微結(jié)構(gòu)可控性實(shí)驗(yàn)研究40-56
• 4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)40
• 4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)材料40-42
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備40-42
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)材料42
• 4.3 實(shí)驗(yàn)過程42-43
• 4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析43-50
• 4.4.1 激光沖擊后表面形貌43-44
• 4.4.2 空穴映射層調(diào)制高幅激光誘導(dǎo)沖擊波44-46
• 4.4.3 不均勻沖擊波加載過程的數(shù)值研究46-50
• 4.5 表面力學(xué)性能50-51
• 4.6 初步工藝研究51-55
• 4.6.1 空穴橫向尺寸和激光能量對(duì)凸起的影響51-53
• 4.6.2 空穴圖案對(duì)凸起的影響53-55
• 4.7 本章小結(jié)55-56
• 第五章 總結(jié)與展望56-58
• 5.1 總結(jié)56-57
• 5.2 展望57-58
• 參考文獻(xiàn)58-63
• 致謝63-64
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文64

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