飛秒激光誘導(dǎo)TC4表面微觀組織研究
發(fā)布時(shí)間：2021-02-03 17:47
為探究超快激光對(duì)金屬材料的燒蝕特性,利用飛秒脈沖激光加工TC4,研究加工后TC4表面的形貌特點(diǎn),分析飛秒激光加工金屬的作用機(jī)理。當(dāng)激光能量密度為8.05 J/cm2時(shí),用白光干涉和掃描電鏡觀察不同掃描速度下材料表面的形貌變化。隨著掃描速度的降低,表面條紋變深,條紋上方的二級(jí)微納凸起尺寸增大,粗糙度增加,條紋側(cè)面出現(xiàn)經(jīng)典低空間頻率條紋。從高斯光束特點(diǎn)和光斑重疊率角度對(duì)各種形貌的形成機(jī)理進(jìn)行分析,高斯光束光斑中心處能量密度高,條紋上方形成凸起,側(cè)面形成經(jīng)典條紋;當(dāng)光斑重疊率越大,單位面積內(nèi)能量密度就越大,表面微結(jié)構(gòu)尺寸也隨之增大。
【文章來(lái)源】：激光與紅外. 2020,50(09)北大核心
【文章頁(yè)數(shù)】：8 頁(yè)
【部分圖文】：
高斯光束在空間上的分布
在飛秒激光對(duì)金屬進(jìn)行燒蝕過(guò)程中,燒蝕形貌和燒蝕出的周期結(jié)構(gòu)陣列尺寸與激光的光斑重疊率和沉積在材料表面單位距離的脈沖數(shù)有關(guān)。激光的一次脈沖可以在樣品表面形成一個(gè)光源,在掃描過(guò)程中兩個(gè)光斑中間發(fā)生重疊。光斑的重疊率和單位面積內(nèi)的脈沖數(shù)量可以通過(guò)掃描速度來(lái)改變,如圖2所示。因?yàn)楣獍邩O小(50 μm)且脈沖持續(xù)時(shí)間為飛秒級(jí)別(10-15 s)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相鄰脈沖間隔(10-4 s),所以為了方便計(jì)算,將光斑近似為正方形,重復(fù)頻率的倒數(shù)近似為相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔,得到光斑重疊率的計(jì)算公式[7]:
圖4為選擇加工的樣品區(qū)域通過(guò)白光干涉得到的峰谷值(Peak-to-valley,PV)、均方根(Root Mean Square,RMS)和輪廓算術(shù)平均偏差(Roughness Average,Ra )隨掃描速度增大的變化趨勢(shì)圖。從圖中可以看出,隨著掃描速度的增大,PV、RMS、Ra均減小。其中掃描速度從25 mm/s增大到1×103 mm/s時(shí),PV變化較大,RMS和Ra變化較小;掃描速度從1×103 mm/s增大到5×103 mm/s時(shí),樣品的PV、RMS和Ra變化較緩。說(shuō)明當(dāng)能量密度恒定時(shí),掃描速度越大,單位時(shí)間內(nèi)光斑的重疊率越低,材料表面沉積的激光能量越少,表面粗糙度越小。圖5為加工前后樣品表面的算術(shù)平均高度Sa、根均方高度Sq隨掃描速度變化的關(guān)系圖。從圖中可以看出,隨著掃描速度的增大,Sa、Sq由快速下降變化到緩慢下降,因?yàn)殡S著掃描速度的增大,光斑重疊率降低,單位面積上的能量減小,激光的燒蝕情況減弱。當(dāng)掃描速度小于1×103 mm/s時(shí),光斑重疊率大于95 %,Sa和Sq變化較大,說(shuō)明在能量密度為8.05 J/cm2時(shí),掃描速度變化引起的光斑重疊率對(duì)材料影響越來(lái)越大;當(dāng)掃描速度大于1×103 mm/s,光斑重疊率小于95 %,Sa和Sq均變化較小,說(shuō)明掃描速度變化引起的光斑重疊率對(duì)材料影響越來(lái)越小。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]飛秒脈沖激光燒蝕金屬的機(jī)理分析[J]. 許媛,寧仁霞,鮑婕,侯麗. 激光與紅外. 2019(04)
[2]高頻飛秒激光對(duì)硅材料燒蝕的熱積累效應(yīng)[J]. 李志明,聶勁松,胡瑜澤,王磊. 激光與紅外. 2017(04)
[3]飛秒激光誘導(dǎo)鈦表面形成高空間頻率周期條紋結(jié)構(gòu)[J]. 劉凱軍,李曉紅,王凱,周強(qiáng),楊永佳,邱榮. 強(qiáng)激光與粒子束. 2017(04)
[4]飛秒激光金屬著色顏色差分析[J]. 李陽(yáng)博,柏鋒,范文中,趙全忠. 光學(xué)學(xué)報(bào). 2016(07)
[5]光斑重疊率對(duì)飛秒激光硅材料表面著色的影響[J]. 柏鋒,范文中,李陽(yáng)博,泮懷海,李虹瑾,趙全忠. 中國(guó)激光. 2016(07)
[6]航空用鈦合金研究進(jìn)展[J]. 金和喜,魏克湘,李建明,周建宇,彭文靜. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào). 2015(02)
[7]超快脈沖激光對(duì)鈦合金的燒蝕特性與作用機(jī)理[J]. 鄭卜祥,姜歌東,王文君,梅雪松. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào). 2014(12)
博士論文
[1]飛秒激光誘導(dǎo)固體表面微納米周期性結(jié)構(gòu)的研究[D]. 李晨.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所) 2016
碩士論文
[1]飛秒激光加工TC4鈦合金的熱積累模型及實(shí)驗(yàn)研究[D]. 張寒墨.遼寧科技大學(xué) 2018
[2]飛秒激光等離子體光譜及沉積技術(shù)研究[D]. 張生孔.福州大學(xué) 2017
[3]納秒激光誘導(dǎo)鈦合金表面著色機(jī)理及其質(zhì)量評(píng)價(jià)研究[D]. 李云龍.山東大學(xué) 2017
本文編號(hào)：3016916
【文章來(lái)源】：激光與紅外. 2020,50(09)北大核心
【文章頁(yè)數(shù)】：8 頁(yè)
【部分圖文】：
高斯光束在空間上的分布
在飛秒激光對(duì)金屬進(jìn)行燒蝕過(guò)程中,燒蝕形貌和燒蝕出的周期結(jié)構(gòu)陣列尺寸與激光的光斑重疊率和沉積在材料表面單位距離的脈沖數(shù)有關(guān)。激光的一次脈沖可以在樣品表面形成一個(gè)光源,在掃描過(guò)程中兩個(gè)光斑中間發(fā)生重疊。光斑的重疊率和單位面積內(nèi)的脈沖數(shù)量可以通過(guò)掃描速度來(lái)改變,如圖2所示。因?yàn)楣獍邩O小(50 μm)且脈沖持續(xù)時(shí)間為飛秒級(jí)別(10-15 s)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相鄰脈沖間隔(10-4 s),所以為了方便計(jì)算,將光斑近似為正方形,重復(fù)頻率的倒數(shù)近似為相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔,得到光斑重疊率的計(jì)算公式[7]:
圖4為選擇加工的樣品區(qū)域通過(guò)白光干涉得到的峰谷值(Peak-to-valley,PV)、均方根(Root Mean Square,RMS)和輪廓算術(shù)平均偏差(Roughness Average,Ra )隨掃描速度增大的變化趨勢(shì)圖。從圖中可以看出,隨著掃描速度的增大,PV、RMS、Ra均減小。其中掃描速度從25 mm/s增大到1×103 mm/s時(shí),PV變化較大,RMS和Ra變化較小;掃描速度從1×103 mm/s增大到5×103 mm/s時(shí),樣品的PV、RMS和Ra變化較緩。說(shuō)明當(dāng)能量密度恒定時(shí),掃描速度越大,單位時(shí)間內(nèi)光斑的重疊率越低,材料表面沉積的激光能量越少,表面粗糙度越小。圖5為加工前后樣品表面的算術(shù)平均高度Sa、根均方高度Sq隨掃描速度變化的關(guān)系圖。從圖中可以看出,隨著掃描速度的增大,Sa、Sq由快速下降變化到緩慢下降,因?yàn)殡S著掃描速度的增大,光斑重疊率降低,單位面積上的能量減小,激光的燒蝕情況減弱。當(dāng)掃描速度小于1×103 mm/s時(shí),光斑重疊率大于95 %,Sa和Sq變化較大,說(shuō)明在能量密度為8.05 J/cm2時(shí),掃描速度變化引起的光斑重疊率對(duì)材料影響越來(lái)越大;當(dāng)掃描速度大于1×103 mm/s,光斑重疊率小于95 %,Sa和Sq均變化較小,說(shuō)明掃描速度變化引起的光斑重疊率對(duì)材料影響越來(lái)越小。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]飛秒脈沖激光燒蝕金屬的機(jī)理分析[J]. 許媛,寧仁霞,鮑婕,侯麗. 激光與紅外. 2019(04)
[2]高頻飛秒激光對(duì)硅材料燒蝕的熱積累效應(yīng)[J]. 李志明,聶勁松,胡瑜澤,王磊. 激光與紅外. 2017(04)
[3]飛秒激光誘導(dǎo)鈦表面形成高空間頻率周期條紋結(jié)構(gòu)[J]. 劉凱軍,李曉紅,王凱,周強(qiáng),楊永佳,邱榮. 強(qiáng)激光與粒子束. 2017(04)
[4]飛秒激光金屬著色顏色差分析[J]. 李陽(yáng)博,柏鋒,范文中,趙全忠. 光學(xué)學(xué)報(bào). 2016(07)
[5]光斑重疊率對(duì)飛秒激光硅材料表面著色的影響[J]. 柏鋒,范文中,李陽(yáng)博,泮懷海,李虹瑾,趙全忠. 中國(guó)激光. 2016(07)
[6]航空用鈦合金研究進(jìn)展[J]. 金和喜,魏克湘,李建明,周建宇,彭文靜. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào). 2015(02)
[7]超快脈沖激光對(duì)鈦合金的燒蝕特性與作用機(jī)理[J]. 鄭卜祥,姜歌東,王文君,梅雪松. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào). 2014(12)
博士論文
[1]飛秒激光誘導(dǎo)固體表面微納米周期性結(jié)構(gòu)的研究[D]. 李晨.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所) 2016
碩士論文
[1]飛秒激光加工TC4鈦合金的熱積累模型及實(shí)驗(yàn)研究[D]. 張寒墨.遼寧科技大學(xué) 2018
[2]飛秒激光等離子體光譜及沉積技術(shù)研究[D]. 張生孔.福州大學(xué) 2017
[3]納秒激光誘導(dǎo)鈦合金表面著色機(jī)理及其質(zhì)量評(píng)價(jià)研究[D]. 李云龍.山東大學(xué) 2017
本文編號(hào)：3016916
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