基于激光空化瞬态力学效应的微造型实验及仿真研究

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材料表面微造型技术已被广泛应用于航空航天、微机电等高端制造领域,但现有微造型加工手段,如反应离子刻蚀和压刻技术等,往往污染较大、流程复杂且能耗较高。因此将无污染、操作简便且能耗较低的激光诱导空化技术用于微造型加工具有重要研究价值。本文以微型电子元器件常用的1060铝合金为靶材,将激光诱导空化时产生的微尺度瞬态高压力学效应施加于材料表面,制备因材料微塑性变形而产生的微造型凹坑。通过搭建激光空化力学效应检测及微造型一体化实验平台,对激光空化所引发的瞬态力学效应进行检测描述,研究该力学作用下,靶材的微变形行为及材料性能。同时在实验数据基础上,提出且验证了一种激光空化微造型仿真模型搭建方案,并利用该仿真方案研究了激光空化制备微造型坑阵列时,不同加工路径对阵列中微造型坑深度分布及残余应力的影响。具体研究内容及结果如下:(1)理论分析激光空化空泡生长溃灭机制及脉动特征,为激光空化所引发力学效应研究提供理论依据;探究了激光空化过程中,多种力学效应的产生机理和瞬态压力作用机制,为微造型实验及仿真研究奠定理论基础。(2)使用高速摄影法结合水听器捕捉光电信号,对激光空化过程中的力学效应进行检测,并提出一种基于负电压滤波的空化力学曲线描述方法。结果表明,水听器捕捉到的电信号存在两个明显的峰值压力,分别为1.196 GPa和515 MPa,通过高速摄影法可以判断这两者分别为激光等离子体冲击波和空泡溃灭所引起的力学冲击,同时过滤负电压值的信号处理手段能有效描述激光空化空泡引发的力学作用,该力学作用持续时间约为20μs。(3)实验研究了不同次数的激光空化作用下,1060铝合金靶材表面微造型凹坑形貌及材料性能。结果表明,微造型形貌大致呈现为顶部具有轻微材料凸起的微坑状,且随着激光空化次数的增加,微坑各方向的形貌一致性提高,但激光烧蚀表面的几率也随之上升;激光空化次数与造型深度变化率成负相关,与不同样本间变形深度的离散性成正相关,与微造型凹坑的表面硬度成正相关;未烧蚀的1060铝箔保护层能有效抑制微坑内表面粗糙度的上升,不过随着激光空化次数的增加,微坑内表面粗糙度变化率呈降低趋势;激光空化次数的增加,会导致微坑内表面残余应力数值增加。(4)提出并验证了一种基于水听器检测载荷数据的激光空化微造型仿真模型搭建方案,并利用此方案上研究了不同加工路径对制备微坑阵列的影响。结果表明,在一次激光空化的工况下,仿真模型与实验数据具有较高吻合度;不同加工路径会直接影响阵列加工区中各微坑的最大变形深度及残余应力分布,总体而言,“S”型路径中深度及应力分布较为均匀,“回”型路径则较为集中。
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