研究了螺旋錐齒輪材料20CrMnTi的飛秒激光燒蝕機(jī)理,以及單脈沖飛秒激光在不同能量密度下的齒面燒蝕特征.考慮材料的能量動(dòng)態(tài)吸收效應(yīng)和光子-電子-晶格系統(tǒng)的相互耦合作用,建立能量耦合模型,仿真得到燒蝕齒輪材料的能量密度至少為67 mJ/cm2,材料去除區(qū)域發(fā)生在燒蝕深度40 nm以內(nèi).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,齒面溫度超過(guò)齒輪材料的氣化溫度后,齒面能夠保持良好的燒蝕形貌,粗糙度的變化值小于0.021μm,驗(yàn)證了理論仿真的有效性.研究結(jié)果可為提高飛秒激光精微加工螺旋錐齒輪的齒面質(zhì)量提供參考. 

【文章來(lái)源】：光子學(xué)報(bào). 2020,49(12)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：10 頁(yè)

【部分圖文】：

齒輪材料的飛秒激光燒蝕機(jī)理

高斯光束的能量分布

當(dāng)能量密度達(dá)到105 m J/cm2時(shí)，如圖3(d）所示，兩個(gè)系統(tǒng)的溫度在4.6 ps后趨于熱平衡狀態(tài)，此時(shí)的平衡溫度約為4 050 K，遠(yuǎn)大于齒輪材料的熔化溫度與氣化溫度，材料的去除效率比前面三種能量的去除效率要高.但能量密度增加，電子與晶格溫度達(dá)到平衡所需的豫馳時(shí)間增加，晶格溫度達(dá)到最大值后會(huì)緩慢下降.由于電子中熱能的傳播速度比晶格中熱能的傳播速度快得多，故平衡狀態(tài)下電子溫度要略低于晶格溫度.分別模擬了在19 m J/cm2、31 m J/cm2、67 m J/cm2和105 m J/cm2等不同能量密度下晶格系統(tǒng)溫度場(chǎng)的三維分布，結(jié)果如圖4.可看出，當(dāng)飛秒激光燒蝕齒輪材料表面時(shí)，晶格溫度與時(shí)間、傳遞深度有關(guān).晶格溫度隨著能量密度的增大顯著提高，沿著深度方向逐漸降低.在沿著激光束方向，深度在40 nm以上的晶格區(qū)域產(chǎn)生材料去除作用，在40 nm以下的晶格區(qū)域基本不燒蝕材料.因此，飛秒單脈沖的燒蝕作用只發(fā)生在材料表面，對(duì)材料內(nèi)部的影響并不明顯.

【參考文獻(xiàn)】：
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博士論文
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碩士論文
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本文編號(hào)：3302239