激光沖擊表面微造型的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、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

2、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。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　?。?）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

3、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

4、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。
　?。?）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

5、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。
　?。?）初步研究了