IMECH-IR  > 先进制造工艺力学重点实验室
高密度激光CuCr合金表面改性中的羽辉特性研究
Alternative TitleStudy on the characteristics of plume during high power density laser surface modification on CuCr alloy
解晓宇
Thesis Advisor何秀丽
2017
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Subtype硕士
Degree Discipline一般力学与力学基础
AbstractCuCr合金广泛应用于轨道交通和电力行业的电接触元件,其表面失效会导致高速列车的安全事故及电网瘫痪,成为制约轨道交通运输和输变电网络发展的瓶颈问题。高密度激光表面改性技术可有效提升其表面性能。改性过程中羽辉会对激光产生吸收、折射和散射等衰减作用,改变激光在工件表面的能量分布,从而影响熔池流动与改性状态。对于CuCr合金材料高密度激光表面改性过程中羽辉的机理缺乏相关研究,大大限制了CuCr合金在工业实际生产中的推广应用。 本研究基于高密度激光表面改性CuCr合金研究的需求,搭建了包括循环水冷夹持装置和惰性气氛系统在内的实验平台,采用不同曝光时间的摄像机采集羽辉图像,经过图像处理后提取羽辉特征参量,研究了羽辉瞬态和稳态的时空分布特性。结果表明,激光功率密度越高,改性过程中羽辉越不稳定,周期性振荡的频率越高;在作用时间为3ms的情况下,当激光功率密度大于$9.4 \times 10^6W/cm^2$时,羽辉的振荡周期大于1kHz,羽辉的面积、长度和熵特征参量迅速降低,平均灰度值急剧增加,羽辉中心部分电子密度迅速增加,浮动部分的倾斜角度逐渐增加;羽辉在不同的激光功率密度下的羽辉有四种形态特征,随激光功率密度的增加依次为圆形亮斑、锥形羽辉、倒三角形羽辉和火星四溅。 开展了不同激光功率和扫描速度下的工艺试验,研究了工艺参数对于熔池形貌的影响,探索建立了羽辉与熔池形貌的联系。建立了高密度激光CuCr合金表面改性的气液固三相耦合模型,综合考虑了反冲压力、表面张力、浮力以及对流、辐射等影响因素,采用Level-set方法追踪气液界面的演化,研究羽辉与熔池的动态演化过程。结果表明,当激光功率密度在$7.8 \times 10^6W/cm^2$和$9.4 \times 10^6W/cm^2$之间时,产生明显改性层且单道改性层深宽比较小,呈扁平状;随着激光功率密度的增加,单道改性层逐渐由扁平状转变为钉型,且熔池深度增加缓慢;对应羽辉的四种形态特征,有四种不同的熔池形貌与表面改性状态;当熔池较浅时,金属蒸汽垂直于熔池表面向上扩散;当熔池深宽大于1时,熔池凹陷内部和外部的金属蒸汽存在一定的分离现象,气液界面处容易产生溅射物。
Call NumberMas2017-012
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/60397
Collection先进制造工艺力学重点实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
解晓宇. 高密度激光CuCr合金表面改性中的羽辉特性研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2017.
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