航空材料论文

篇一：航空航天特殊材料加工技术论文

航空航天特殊材料加工技术

------激光加工

摘要：报道近年来在先进金属材料快速凝固激光表面改性、金属间化合物高温耐磨耐蚀涂层新材料快速凝固激光熔覆制备技术、钛合金及高温合金等高性能金属零件快速凝固激光成形技术等领域的研究进展，主要内容包括：钛合金激光表面合金化及激光熔覆表面改性、激光熔覆高温耐磨耐蚀多功能金属间化合物涂层、小面相非平衡凝固液固界面结构及生长机制、钛合金及高温合金高性能零部件激光快速成形、难熔高活性金属材料及定向生长柱状晶钛合金激光约束熔铸成形技术。

关键词：激光加工；激光打孔；飞秒激光

一、激光加工

激光加工是将激光束照射到加工物体的表面，用以除去或熔化材料一起改变物体表面性能。激光对物体的加工不同于其他方法的最显著的地方，就是它可以把光的能量通过聚焦集中在很小的面积上，使被照射物体瞬间接受极高的激光功率密度辐射，从而达到加工的目的。激光加工的应用范围很广，包括打孔、切割、焊接及表面处理等。加工时，若激光的功率密度为103～104W/cm2只能使材料加热，而不能熔化和气化；功率密度提高到105～106W/cm2时，材料开始熔化；若提高到106～107W/cm2以上时，材料则开始蒸发。激光辐射在被加工材料上所起的作用不仅与辐射的功率密度大小有关，还与辐射延续的时间有关，调节这两个参数，便可以得到不同的

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工艺规范，进行不同的加工。

二、激光打孔

激光打孔是激光加工的主要应用领域之一。采用激光可以打小至几微米的微孔和各种异形孔。目前激光打孔技术已广泛用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴、宝石轴承、金刚石拉丝模、化纤喷丝头等微小孔的加工中。激光打孔在高峰值功率的脉冲激光作用下可在极短时间内完成(如厚10 mm氧化铝的打孔过程可在0．06 s内完成)，穿孔瞬间孔内材料迅速熔化，可认为厚度方向的温度近似均匀，因此将打孔程简化为二维平面模型。不同的加工方式要求不同，对激光束的聚焦采取的方式也不一样。为了改善现有激光加工设备单一的加工功能，有效利用激光器，提高生产效率，对激光光束变换技术的研究尤其重要。目

前对光束变换已有多种实现方法，旋转棱镜由于其结构简单，并可在一定范围内产生近似的无衍射光束而备受关注。利用旋转棱镜光学系统可以实现多种形式的光束传输变换，例如，将实心横截面光束变换为环状光束、平面或径向细环聚焦光束，或者作相反的变换，或者将高斯光束变换成无衍射光束等。其优越的光束和能量变换特性使它在激光打孔、圆柱形工件热处理、焊接、切片、高精度准直技术等激光加工应用领域都具有非常诱人的价值。

下面以对陶瓷材料的打孔加工为例。陶瓷材料的低导热性以及激光打孔时间的短暂性，打孑L完成后在孔径周围一个有限区域内材料温度升高，而这个区域以外仍为室温。该假设对长波长高峰值脉冲输出激光快速打孔各种材料均适用。对于不同的材料和不同的工艺参数，由于材料的导热性以及激光输入能量的不同，会在热影响区域大小以及热影响区内温度上存在一些差异，但总体趋势一致。考虑TEM光斑的轴对称性，对于导热性各向同性的陶瓷来说，其热影响区也应该是轴对称的，孔径和热影响区的示意图如图l所示。

由上述分析确定边界条件

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T(b)=Tmc T(d)=0

式中6为打孔半径，由于孔径边缘材料虽有熔化但由于喷嘴气流等关系不能完全吹除(将形成重凝层)，因此孔径边缘的温度应略高于材料熔点T。，设为T。。；d为描述热影响区的半径热影响区边缘为室温(即背景温度设为0)；最后一个条件表示在热影响区边缘的温度变化趋势不应该足突变的，即它的一阶偏导数应该存在并且连续，由于热影响区以外的温度为一定值，其偏导数为0，所以在热影响区边缘的偏导数也为0。图1激光打孔二维模型示意网

轴对称温度场的温度分布只和半径r有关，采用多项式拟合不稳定温度场

将(1)式代入(2)式中，解出(2)式中的

三个常数，得到温度分布

由于材料的温度分布具有轴对称性且沿z轴方向无变化，采用柱坐标系r，θ，z描述时，所有物理量仅足坐标r的函数，因此热应力问题可以简化为平面轴对称热弹性问题，其应力场满

足

对应的应力趋势图如图2所示(为了简

化计算，设

来观察应力趋势)

。

式中分别为径向和切向的正应

力，a为线膨胀系数，E为拉压弹性模量，肛为泊松比，T(r)为热影响区内的温度分布，D。和D。为两个由边界条件确定的常数。由于孔边缘处是径向自由的，径向的应力为0；热影响区边缘处温度为0，认为此处材料为刚性，因此相应的切向应力亦为0，故设边界条件为

来观察应力趋势。)

将边界条件(5)和温度函数(3)代入到应力场分布(4)

，解得径向应力和切向应力

的解析解

随着孔径边缘温度的提高，切向和径向的拉应力都有显著提高，将增加裂纹产生的可能。因此要尽量降低孔径边缘温度接近熔化温度以减少材料中的拉应力，抑制裂纹的产生。孔径大小b和热影响区大小d对应力分布的影 响如图4所示。当热影响区的大小减少时，两个方向的应力都有变小的趋势

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分别讨论式(6)中与激光加工参数有关的三个

系数，即孔径边缘温度Tmc，孔半径b热影响区半径d 。

Tmc对热应力的影响，如图3所示(为了

简化计算，设

(如图4(a)，(b)，(c)所示)；从图4(d)和(e)中可以看到，增大孔径也可以降低两个方向的拉应力；特别地，当热影响区的大小(d一6)不变，仅是增大孔径时也可以有效地降低打孔的拉应力(如图4(f)和(g)所示)。由(3)式可知在这种情况下温度场分布只是存在平移并不发生变化，即只要将温度场分布向外平移就可以降低热应力。因此减少热影响区大小、增大打孔孔径或向外平移温度分布都可以抑制裂纹的产生。切割的热应力分析由于切缝的存在而变得复杂，对于这种非轴对称的温度应力场的计算一般很难得到解析解，因此需要将切割过程的温度场以及应力分布在近似范围内进行合理简化。切割过程图3温度对径向应力(a)和切向应力(b)的影响中，冷却气体对切缝的强冷却效果会导致切缝边缘具有温度较低的重凝层，因此可以将不在光斑覆盖范围内的切缝边缘看成是刚性的且一般切缝宽度很窄(o．1mm左右)，又因为激光切割陶瓷一般采用脉冲方式，因此可以将脉冲激光切割近似为一系列打孔过程。上述打孔热应力分析即可适用于脉冲激光切割，不同之处在于脉冲激光切割过程中脉冲间隔很近，会有热积累效应，即前一个脉冲作用的温度场会与 …… 此处隐藏：1010字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……