毫秒激光致铝熔融喷溅现象研究

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本文从理论和实验上研究了毫秒激光致铝靶熔融液体喷溅的现象,并对熔融液体喷溅的阈值、准稳态及非稳态的喷溅过程和激光作用截止后的喷溅进行了理论和解析分析、数值模拟和实验研究。  基于铝靶温度场分布函数的假设,建立了铝熔融液体在气化蒸汽对其形成的反作用压力下发生流动时的温升模型。通过对假设的温度分布函数在热传导方程中进行解析和数值求解,得到了不同时刻靶材表面光束中心点处的温度和熔融液体流动阻力及气化蒸汽反作用于熔融液体的压力大小。依据蒸汽反作用于熔融液体的压力和熔池所形成最大流动阻力大小关系的对比,得到了毫秒激光在不同的聚焦光斑面积下辐照铝靶并致熔融液体喷溅的能量和能量密度闽值。  根据毫秒激光致铝靶熔融液体喷溅实验中收集的喷溅熔融液滴,研究了熔融液体喷溅的角度及液滴分布形态,进而得到了熔融液体喷溅过程中的稳态和非稳态形式。通过对毫秒激光致铝熔融液体喷溅过程中热流通量的研究,建立了熔融液体在轴对称坐标下形成准稳态喷溅的运动模型,继而得到了熔融液体准稳态喷溅过程中靶材的温度场、熔融液体表面的流动速率、熔池中心点处液面的下降速度以及熔融液体喷溅后熔池的形貌,计算得到的熔池形貌与实验结果吻合。还分析了毫秒激光致铝熔融液体准稳态喷溅时熔池中心点温度和气化区域范围随作用激光功率密度的变化关系。  依据脉宽为毫秒量级的单脉冲激光逆重力方向对金属打孔的实验,利用有限元计算软件并基于生死单元方法对毫秒激光致铝熔融液体非稳态喷溅现象进行了数值仿真。根据靶材受热表面的力学效应,建立了熔融液体克服流动阻力运动的非稳态喷溅模型;分别用有限单元法和有限差分法对二维轴对称的热传导方程和流体的一维欧拉运动方程进行求解,得到了不同时刻靶材的温度场和熔融液体的流场;应用生死单元法将发生喷溅的熔融液体单元在计算中失效,从而得到了孔洞内壁和洞口表面的形状,其形貌与文献报道的实验结果符合;进而分析了熔池底部附近不规则凹凸内壁和喇叭形洞口的形成机理。  利用高速摄影仪记录了毫秒激光致铝熔融液体喷溅的过程,通过对熔融液体喷溅机理的研究,建立了毫秒激光致铝熔融液体在激光作用截止后的运动模型。利用解析和数值相结合的计算方法,得到了激光作用截止后熔池内液体表面压强的数值、熔融液体在表面压强梯度作用下的平均运动速度以及激光作用截止后熔融液体持续喷溅的时间,其结果与实验结果吻合;从而推断出熔融液体在激光作用截止后的喷溅现象缘于液体表面能释放的结论,进而分析了熔融液体在激光作用截止后持续喷溅时间随熔池半径和作用激光功率密度的变化关系。  本文的研究结果为进一步研究毫秒激光致金属熔融液体喷溅现象提供了理论和实验研究依据,有助于推动毫秒激光在工业加工及制造、军事、医疗等领域发挥更为显著的作用。
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