【摘 要】
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表面的相互作用在工程应用中普遍存在,激光表面微织构技术应运而生。其中毫秒激光因其经济性好、效率高、加工出的织构点形貌种类繁多等特点,在模具、轧辊、轮轨、刀具等表面广泛应用。然而激光作用机理复杂,织构点形貌可控性差,因此需要通过数值分析的方法,建立数值模型研究毫秒激光作用下织构点的成形机理和演变规律,为微织构的主动设计提供指导。本文采用变形几何与水平集两种表面描述方法建立了激光烧蚀数值模型,分析了激
【基金项目】
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国家自然基金:重载精密滑动导轨激光仿生复合织构抗粘减摩耦合机理与防爬行设计 （Grant No. 51975252）； 镇江市重点实验室 （SS2018007）； 镇江市重大科技专项:高精度长寿命航空轴承关键技术研发 （ZD2018001）； 泰州市重大科技成果转化项目 （SCG201
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表面的相互作用在工程应用中普遍存在,激光表面微织构技术应运而生。其中毫秒激光因其经济性好、效率高、加工出的织构点形貌种类繁多等特点,在模具、轧辊、轮轨、刀具等表面广泛应用。然而激光作用机理复杂,织构点形貌可控性差,因此需要通过数值分析的方法,建立数值模型研究毫秒激光作用下织构点的成形机理和演变规律,为微织构的主动设计提供指导。本文采用变形几何与水平集两种表面描述方法建立了激光烧蚀数值模型,分析了激光加工参数对火山口状织构点成形的影响和W状织构点中心凸起的形成机理和演变规律。本文主要工作内容以及所得结论如下:（1）应用Comsol Multiphysics软件分别采用变形几何法和水平集法,耦合传热与层流物理场,考虑热传导、热对流、热辐射、相变潜热、毛细压力、热毛细力、反冲压力和体积力等边界条件建立毫秒激光烧蚀模型。此外,在变形几何法模型中引用赫茨克努森方程添加烧蚀速度以实现蒸发去除。通过对两种建模方法结果的对比,可得知变形几何法和水平集法都适用于激光作用下熔池流动的研究,而变形几何法的准确性、效率要优于水平集法,水平集法的适用性更广。（2）采用变形几何法模型研究了火山口状织构点的成形规律,并通过试验验证了模型的准确性。研究发现当激光峰值功率密度升高或脉宽增大时,烧蚀速度对其成形的影响越来越显著,且火山口状织构点的直径和中心凹陷深度会随之近乎线性增长。而脉宽对火山口边缘凸起高度影响较小。激光加工时获得同样深度的火山口状织构点,采用更高的脉宽比采用更高的峰值功率密度会获得更大的重熔区。织构点中心凹陷深度随脉冲个数的增多近乎呈线性增长,而织构点直径的增长速度随之逐渐减缓。（3）采用变形几何法模型研究了激光作用下W状织构点的形貌演变规律,通过熔池温度场、流速、流向和表面受力的变化过程,分析了中心凸起的形成机理和激光加工参数对织构点形貌的影响规律。研究发现当峰值功率密度较低（I≤5×10~9W/m~2）且脉宽适中时（τ=1 ms）,织构点中心有明显凸起出现,且凸起高度随着脉宽和功率密度的增大而减小并逐渐由W状形貌演变成火山口状形貌。在激光加热阶段熔池中心主要受反冲压力作用,表面轮廓的变化主要受其影响。而熔池尾部主要受热毛细力作用,促进流速的加快和环流的产生。在冷却凝固阶段初期熔池主要受毛细压力作用,熔融金属迅速回流向中部。织构点中心凸起程度与热毛细力和毛细压力的强弱有关。峰值功率密度增大、脉宽减小会使得冷却时熔池中心温度低于周围,熔融金属回流将受到热毛细力抑制,导致中心无法形成凸起。脉宽增大会使得熔池冷却期间出现两个异向环流,抑制熔融金属回流,导致中心凸起高度减小。
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