低能量密度下飞秒激光烧蚀镍钛形状记忆合金靶材的微观相变行为

运用结合双温模型的分子动力学方法,数值模拟了脉宽为100 fs的超短脉冲激光烧蚀B2结构镍钛形状记忆合金薄膜的作用,研究了较低能量密度下B2结构镍钛形状记忆合金靶材的相变过程。结果表明,超快激光与B2结构镍钛形状记忆合金相互作用时,压力波传播引起了热能的弛豫。脉宽为100 fs,功率密度为20~35 mJ/cm2的激光与靶材作用时,烧蚀产生的压力波在其传播过程中诱导靶材发生了相变,并形成三明治结构。     

脉宽对飞秒激光烧蚀合金影响的数值模拟

运用结合双温模型的分子动力学模拟方法,研究了飞秒激光与B2结构镍钛合金相互作用的烧蚀机制。采用中心波长为800 nm,能量密度为29.3 mJ/cm2,脉宽分别为50、200、500、1 000 fs激光烧蚀90 nm厚度的靶材,并对靶材底部运用压力传输边界条件,表明传输边界条件能够运用于该数值模拟中。靶材温度、内部压...     

皮秒激光烧蚀7075铝合金数值模拟与实验研究北大核心CSCD

为了解超快激光与材料相互作用的机理,优化激光金属烧蚀能力,以达到理想的烧蚀效果,本文在二维轴对称模型中引入了适用于超快激光烧蚀的双温模型,模拟了皮秒激光对于以7075铝合金为代表的低熔点合金的烧蚀行为。通过更改皮秒激光的功率密度和冲击次数,确定皮秒激光各参数对于7075铝合金的影响并与实验结果相对照。结果表明,激光烧蚀的深度小于通过双温模型计算出的金属熔化温度层,同时激光的烧蚀深度与激光密度线性相关,当烧蚀深度大于一定数值时,激光烧蚀深度几乎不随着烧蚀次数的增加而增大。     

合金的玻璃形成能力对激光重熔Zr基非晶热影响区晶化的影响

通过脉冲激光重熔Zr55All 0Ni5Cu30非晶合金和Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶合金,分析了具有不同玻璃形成能力的非晶合金热影响区晶化行为的差异。结果表明,玻璃形成能力稍差的Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶合金比玻璃形成能力强的Zr55All 0Ni5Cu30非晶合金热影响区晶化严重。激光重熔Zr55Al10Ni5Cu30非晶合金4次后,热影响区仅有稀疏的球状晶粒析出;而激光重熔Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶合金1次时,热影响区布满球状晶粒,激光重熔4次后,晶化晶粒长大明显,且在球状晶粒的内部呈现树枝状放射生长形态。激光重熔热影响区非晶合金的晶化行为与该合金的玻璃形成能力密切相关。玻璃形成能力越高,越有利于保持热影响区的非晶状态。     

激光水下打靶力学效应的测试与分析

采用自行研制的光纤力学传感器研究了在不同能量的脉冲激光作用下，水中靶材的力学效应。实验和理论分析研究结果表明，水中靶材依次受到激光烧蚀压力及空泡溃灭产生两次射流冲击力的作用，冲击力幅值随作用激光能量的增加均先上升后下降；而射流产生时刻及空泡溃灭时刻随激光能量增加呈单调递增趋势；且射流产生的时刻早于空泡溃灭的时刻。     

镁合金表面激光熔覆Cu-Zr-Al非晶复合涂层

采用激光熔覆技术在镁合金表面制备了Cu-Zr-Al非晶复合涂层。研究结果表明,非晶复合涂层主要是由非晶及Cu10Zr7和Cu8Zr3相构成,其中非晶相的摩尔分数约为60%。涂层结合区与基体之间的结合形态为非平直晶面型;热影响区由细小的α-Mg -βMg17Al12过饱和固溶体构成;由于高的铝含量增加了热影响区应力腐蚀敏感性,致使在金相腐蚀时其内部局部区域及与熔覆层结合处产生裂纹。在非晶相和金属间化合物复合作用下,复合涂层具有高的硬度、弹性模量、耐磨性和耐蚀性。     

固壁旁激光空泡生长和溃灭特性的实验研究

采用两套基于光偏转原理的光纤传感器测量了固壁旁激光空泡脉动全过程及空泡溃灭对靶材造成的破坏。通过实验获得了激光空泡在靶表面两次膨胀收缩的全过程,判定了空泡在两次脉动中对应的最大、最小泡半径和溃灭周期,并推算了空泡泡壁速度随时间的变化关系。此外,在脉冲激光作用下,水中靶材依次受到激光烧蚀压力和激光空泡在固体壁面附近溃灭时产生的射流冲击力的作用,且射流冲击力是造成靶材破坏的主要原因。     

高频飞秒激光对铜片烧蚀过程热弛豫现象研究

研究了铜片在不同能量密度的单脉冲飞秒激光下烧蚀的结果。 将飞秒激光烧蚀实验的结果结合双温模型在有限差分法下模拟出的数据图,从而研究不同激光能量密度与烧蚀间的联系。飞秒激光的烧蚀过程属于非平衡烧蚀,按照模拟出的数据,对铜片烧蚀过程中表面电子温度及晶格温度有了直观的认识,进而进行研究,得出整个激光烧蚀中热弛豫规律。 在不同能量密度的飞秒激光烧蚀下对电声相互作用的研究,其模拟结果有利于找出能量密度与飞秒激光烧蚀的关联,而实验图进一步表明了提升飞秒激光能量密度与加工铜材料的加工效率以及加工质量之间的意义。综合以上分析,能够得出随着飞秒激光能量密度的增加,飞秒激光烧蚀期间材料的热弛豫过程加长,烧蚀强度有所增加,材料加工后得出形貌质量提高,其对于飞秒激光烧蚀材料的研究具有很大意义。     

激光诱导自蔓延反应合成非晶复合材料组织与性能

利用构成Zr基大块非晶合金体系的主要组元之间具有很大的负混合焓而能发生很强放热反应的特点 ,设计了激光诱导自蔓延反应合成大块非晶合金的工艺。针对Zr Al Ni Cu合金体系的初步研究表明 ,合成产物主要是由非晶 ,Zr3Al2 及Zr2 Cu型金属间化合物所构成。随着掺杂 (Zr,C)含量的增加 ,合成产物中非晶比例降低 ,而硬度及耐磨性增加。     

飞秒激光烧蚀高定向热解石墨的超快过程研究

脉冲激光烧蚀高定向热解石墨(HOPG)是制备富勒烯、碳纳米管等碳纳米材料的重要方法之一。研究和认识飞秒脉冲激光烧蚀高定向热解石墨的超快物理过程,可以为探索飞秒激光烧蚀制备各种碳纳米材料提供重要的实验和理论基础。利用抽运-探测技术记录了0.33～20J/cm2不同激光能流下50fs激光脉冲烧蚀高定向热解石墨在0～9ns时间窗口内的超快动态过程,并且比较分析了烧蚀高定向热解石墨和烧蚀铝靶的差别。实验发现,随着入射到高定向热解石墨表面的激光能流从20J/cm2下降到0.33J/cm2,光热机制导致的物质去除逐渐减少,光机械机制的应力释放导致的大颗粒物质喷射逐渐成为主要的物质去除过程。分析表明,靶材的吸收系数是导致高定向热解石墨和铝靶烧蚀动态过程不同的主要因素。     

激光焊接Zr45Cu48A17块体非晶合金

为了研究激光技术焊接块体非晶合金的可行性,采用激光焊接块体非晶合金Zr45Cu48A17.当焊接速度为8m/min、激光输出功率为1.2kW时,焊缝和热影响区均保持了非晶特性,且没有发现裂纹等的缺陷;试样的热循环温度曲线分析表明,焊缝和热影响区急速从熔点冷却到430%以下是该试样保持非晶的原因.结果表明,采用激光焊接技术可以成功连接块体非晶合金.     

激光焊接Zr45Cu48A17块体非晶合金

为了研究激光技术焊接块体非晶合金的可行性,采用激光焊接块体非晶合金Zr45Cu48Al7。当焊接速度为8m/min、激光输出功率为1.2kW时,焊缝和热影响区均保持了非晶特性,且没有发现裂纹等的缺陷;试样的热循环温度曲线分析表明,焊缝和热影响区急速从熔点冷却到430℃以下是该试样保持非晶的原因。结果表明,采用激光焊接技术可以成功连接块体非晶合金。     

双温方程用于飞秒激光烧蚀金属的模拟分析

讨论了双温模型在不同近似下的电子热传导率对于模拟飞秒激光烧蚀金属过程中靶材的电子温度和晶格温度分布的影响,用有限差分法对飞秒激光脉冲烧蚀金属靶的过程的温度场进行了一维数值计算,以铜靶为例给出了靶材电子与晶格温度分布随时间和深度的演化规律并进行了分析,结果表明不同近似下电子热传导率对于模拟温度分布计算结果有着重要的影响。     

Cu-Zr-Al非晶合金成分设计与激光熔覆

在采用团簇线判据优化设计Cu-Zr-Al非晶合金成分的基础上，采用激光熔覆技术在AZ91HP镁合金表面制备了Cu-Zr-Al合金涂层。研究结果表明，合金涂层是由非晶、Cu8Zr3和Cu10Zr7相所组成。通过X射线峰位分离计算表明，随着扫描速度增加，由于熔覆区冷却速率增大，稀释度降低，致使合金涂层中非晶相的相对含量上升，其最高质量分数可达61％。同时，由于金属间化合物的增强作用随着扫描速度的增加而减弱，致使合金涂层的硬度、弹性模量、耐磨性降低，而耐蚀性增高。     

飞秒强激光超快烧蚀动力学过程的时间分辨研究

利用抽运-探测超快时间分辨阴影图方法研究了高强度飞秒激光脉;中烧蚀固体靶的动态物理过程.首次实验证实了40 J/cm2.50 fs激光脉冲烧蚀固体靶是一个同时涉及超快加热与超快光机械作用的复杂物理过程.该结果为深入揭示和理解超短脉冲激光烧蚀固体物质特别是金属材料的动态物理过程提供了新的关键性启示.     

飞秒激光蚀除金属的分子动力学模拟

采用耦合一维双温模型的分子动力学方法，从连续及原子级的角度详尽描述了飞秒激光与金属的相互作用过程。建模时不仅考虑了激光能量的吸收方式、电子热传输及电子一晶格间的能量交换，而且对底部边界进行了特殊处理，采用简单而有效的速度减幅技术，既能防止靶材底部断裂，又能保证有效蚀除。分析了靶材内部温度、压力的分布特征及应力约束条件下的蚀除机制。模拟结果表明，靶材是在卸载波及被反射的压力波的共同作用下发生断裂；较高脉冲能量密度下蚀除产物由多个大团簇组成，而较低能量密度下只包含单个团簇，这是应力约束条件下金属蚀除的主要特征。同时，深入探讨了激光诱导压力波的成因及其传播规律，预测了压力波的波速。确定了蚀除阈值，同实验数据完全吻合，并证明了有过热现象的存在。     

能量密度对毫秒脉宽激光烧蚀铝靶物质迁移机制的影响

毫秒脉宽激光打孔过程中靶物质的迁移机制直接影响孔的形貌,因此靶物质的迁移机制研究对于激光加工参数优化具有重要意义.靶物质的迁移主要包括脱靶的气化产物、溅射的熔融物质和非脱靶的熔融物质迁移,熔融物质重新凝固形成重铸层.对于脱靶的物质,采用高速相机直接成像法观察运动规律;对于重铸层,采用金相显微镜观察其形貌;最后,使用分析天平测量烧蚀质量.结果 表明:铝合金的相爆炸阈值为1047.24 J/cm2,能量密度在相爆炸阈值以下时,脱靶的靶物质主要以气化形式迁移,重铸层内部会形成周向和径向的裂纹,而能量密度在相爆炸阈值以上时,熔融物质被冲刷出烧蚀坑,烧蚀坑内部几乎不存在重铸层;气化损失的质量占比很小,靶材的质量损失主要来自相爆炸驱动的熔体喷溅,相爆炸会使单脉冲烧蚀质量增加10.7倍;相爆炸和激光强度的下降均会导致靶材的气化速率下降.     

调Q激光作用水中靶材表面引起的力学效应分析

在分析强激光作用下水中靶材产生的力学效应和力学特性基础上,用基于光偏转原理制做的光纤力学传感器测量了不同激光能量的水下靶材表面的瞬态压力,得到了调Q-Nd：YAG激光等离子体冲击波和空泡射流的压力信号,并从耦合动量角度进行比较,计算出等离子体烧蚀力的冲量和射流的冲量.结果表明,空泡射流的力学效应与等离子体冲击波的一样重要,有时甚至更明显.     

飞秒激光制备表面微纳结构数值模拟与实验研究北大核心CSCD

微纳米尺度的表面结构在表面工程中有着许多特殊的性能和应用,为了研究飞秒激光制备不锈钢表面微纳结构的机理,基于经典双温模型理论对飞秒激光烧蚀304不锈钢的过程进行了数值模拟计算。经过计算得到了不同激光能量密度、不同烧蚀深度处电子与晶格系统温度的演化规律,确定了飞秒激光单脉冲作用下的烧蚀阈值,通过数值模拟得到飞秒激光烧蚀不锈钢只发生在材料的表面,对内部的材料影响很小。最后使用飞秒激光微纳加工系统在不锈钢表面制备了微纳结构,多边形微孔结构保持了高质量的边缘形貌,在孔的内壁出现了周期性结构。     

激光点火功率对激光诱导自蔓延反应合成非晶基复合材料组织性能的影响

注意到构成Zr基大块非晶合金体系的主要组元之间具有很大的负混合焓,因而能够发生很强的放热反应。利用这一特点,我们首次设计了激光诱导自蔓延反应合成大块非晶合金的工艺。针对Zr-Al-Ni-Cu合金体系初步研究结果表明,合成产物主要是由非晶、Zr3Al2及Zr2Cu型金属间化合物所构成。增加激光点火功率,合成产物中非晶比例增加,而硬度降低。