基于数值模拟激光辐照铜薄膜的温度对疲劳损伤修复的影响

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由于激光表面处理具有局部快速加热和冷却、可选择性局部处理等优点,近年来,激光表面处理对疲劳性能的影响已经被广泛研究。多晶铜薄膜材料在MEMS器件中得到了广泛应用,其疲劳强度已成为制约MEMS器件长期服役可靠性的因素之一。本文基于激光辐照修复25μm厚的损伤铜薄膜的试验,通过数值模拟的方法,研究了激光辐照铜薄膜的温度对其疲劳损伤修复效果的影响。  首先,对轧制铜薄膜缺口试件进行了预损伤处理以及激光辐照修复试验。结果表明,单脉冲能量为450mJ时,激光辐照对铜薄膜损伤修复效果较好,所有损伤试件完全愈合,且随着脉冲个数的增多,辐照后总寿命与原始寿命的比值在2.0上下波动,脉冲个数对疲劳总寿命的影响不大。  其次,使用ANSYS软件建立了激光辐照铜薄膜的有限元模型,并对不同的单脉冲能量和脉冲个数下激光辐照铜薄膜的温度场和残余应力场进行了分析。数值结果表明,当单脉冲能量为450mJ和900mJ时,铜薄膜试件的表面瞬时温度均达到熔化温度以上,而单脉冲能量为360mJ时,表面瞬时温度未达到熔化温度,与表面微观分析结果相一致。通过X光衍射对激光辐照后铜薄膜表面残余应力进行了测量,得到的结果与数值模拟结果相一致。  最后,将数值模拟结果与之前的疲劳试验结果相结合,研究了温度对修复效果的影响规律。结果表明,在120MPa的应力水平下,激光辐照铜薄膜的表面温度达到1200℃左右时,损伤修复效果较好,除了完全愈合外,疲劳总寿命提高了2倍左右,铜薄膜表面发生了微熔化。
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