毫秒级脉冲激光辐照脆性材料的热—力学效应
毫秒级脉冲激光辐照脆性材料的热—力学效应
本文从数值模拟和实验两方面对毫秒级脉冲激光静态辐照和动态扫描脆性材料过程中的温度场和应力场进行了分析,进而就毫秒级脉冲激光对脆性材料的损伤机理,扫描情况下的可控断裂过程,高温情况下脆性材料的塑性转变过程等方面进行了研究。基于固体热传导理论,建立了轴对称有限元计算模型,对毫秒级脉冲激光静态辐照单晶硅材料过程中的温度场和应力场进行了模拟分析。
热应力场分布规律的分析结果显示激光辐照过程中最有可能在激光辐照区域周围首先出现沿径向发展的裂纹。根据不同能量密度的波长1064m毫秒级脉冲激光对单晶硅的损伤实验结果,结合热应力的数值模拟结果对损伤机理进行了分析,可知环向应力和径向应力的共同作用导致裂纹沿径向开裂后再趋向环向发展。
建立了三维有限元热弹计算模型,对毫秒级脉冲激光动态扫描脆性板状材料过程中的温度场和应力场进行了分析,并对材料边缘含有裂纹情况下的裂纹尖端的应力强度因子变化情况进行了模拟计算。计算结果表明,在激光加热区域前后位置存在两个拉应力区,裂纹尖端的应力集中现象诱发材料持续开裂并引导裂纹沿激光扫描方向扩展。
类比于单脉冲激光辐照过程中应力场和温度场对称分布的规律,对双脉冲激光扫描含裂纹的单晶硅片过程中应力场的分布变化情况进行了模拟,并对不同激光光斑间距、不同激光功率情况下裂纹尖端的应力强度因子变化规律进行了分析。采用热弹塑计算模型,对脆性材料在激光辐照下的塑性转变过程进行了有限元计算模拟,分析了激光辐照过程中热膨胀和热软化对热应力的影响,并对塑性转变过程中的应力释放过程、塑性区域的发展过程进行了研究。
结果显示,激光辐照过程中热软化使塑性区域不断扩大,由于温升变缓,过程中塑性区域的扩大速率随时间减小。本文的研究结果有助于加深对毫秒级脉冲激光辐照脆性材料过程中的温度场、应力场变化过程的理解,同时为脆性材料的抗激光损伤、激光切割、激光成形提供理论依据和实验支持。
激光熔覆涂层对高锰钢耐磨性能的影响
材料研究与应用 2024，18（1）：157‐165Materials Research and ApplicationEmail：clyjyyy@http：//
激光熔覆涂层对高锰钢耐磨性能的影响
韩纪鹏1,2,赵德刚1*,刘国祥2,张文彬2,陈小伟2
（1.济南大学材料科学与工程学院，山东 济南 250022； 2.浙江武精机器制造有限公司，浙江 金华 321200）
摘要： 使用FeCrVSi和Ni+WC涂层粉末，在高锰钢材料表面成功制备了激光熔覆涂层，并对涂层组织形貌、显微硬度和耐磨性进行了研究。结果表明，两种涂层均可提升高锰钢基体的耐磨性和显微硬度，Fe‐CrVSi涂层对基材性能的提升更佳，添加FeCrVSi和Ni+WC涂层的材料表面磨损量分别降低9.5%和6.3%，硬度分别为470—550 HV和500—630 HV，高于基体的250 HV，这主要源于合金元素的固溶强化
作用和激光熔覆过程的激冷效果。在高应力载荷冲击过程中，涂层为高锰钢提供了第一层防护，以高硬度质点抵抗磨料破坏；同时，表层基材发生塑性变形和强化，产生形变诱导马氏体和栾晶硬化，提供了很高的硬化效应，在协同强化的作用下为高锰钢提供了更高的强度和硬度，提升了其耐磨性能。关键词： 激光熔覆；高锰钢；涂层；耐磨性；碳化物；硬化效应；协同作用；激冷效果中图分类号：TG156；TB114 文献标志码： A 文章编号：1673-9981（2024）01-0157-09
引文格式：韩纪鹏，赵德刚，刘国祥，等.激光熔覆涂层对高锰钢耐磨性能的影响［J］.材料研究与应用，2024，18（1）：157-165.HAN Jipeng，ZHAO Degang，LIU Guoxiang，et al.Influence of Laser Cladding Coating on Wear Resistance Property of High Mn Steel［J］.Materials Research and Application，2024，18（1）：157-165.
强激光辐照充压圆柱壳体热力效应的相似性数值模拟(Ⅰ)
６２ 《激芜黍慧； 犟耄 ；ｉ９ 壳体热 憨蜜 ． ．２。。
强激光辐照充压圆柱壳体热力效应的相似性数值模拟（Ｉ）
王玉恒，刘峰
（西北核技术研究所，西安，７１００２４）
提要：针‘对连续波激光辐照充压圆柱壳体的热力效应问题，建立了…系列不同缩比率的近几何相似模型，并在此基础上设计了不同的缩比 方案。利用数值模拟的方法，本文探讨了同一加载条件即相同辐照靶面功率密度、相同光斑大小条件下缩比靶模型的相似性规律。 关键词：激光辐照；近几何缩比；相似性；充压柱壳；数值模拟 中图分类号：ＴＮ２４８．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５３—２７４３（２００８）０５—００６２—０２
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｌａｓｅｒ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ：ａｐｐｍｘｉｍａｔｉｖｅｌｙ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ】ｖ ｓｃａｌｉｎｇ；ｓｉｍｉｌａｒｉｔｖ：ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｓｈｅｌＩ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 根据相似性原理，可以利用几何相似的模型来探索激光 Ｅ：１ｎ（Ｕ），Ｕ：Ｒ一１ Ｆ （３） 对靶材热力耦合的尺度规律。把结构热力响应问题所涉及
的所有重要的输入和输出参量连同相应的物理量纲列出来，
然后应用Ｂｕｃｋｉｎｇｈａｍ ＩＩ定理…，表征出一组完备的无量纲组
合或 项，可以直接得￣１１４，尺度模型和大尺度原型的缩比关
系 ２ Ｊ。经过进一步的分析，叮以知道热传导问题可以孤立地
进行几何缩比模拟，但不能与力学效应同时进行几何缩比模
拟，即热力耦合问题不满足初等几何相似律 ２ｊ。因此，从理
论上来看，对于激光辐照靶材的热力耦合问题十分复杂，通
过某个小尺寸模型的结果来推广大尺寸原型的结果是有一
定困难的。同时，按照相似性原理，几何相似缩放必须是严
格的 ３ Ｊ，儿何尺寸的使用必须服从相似律的要求。而在实验
中，这样的要求往往是苛刻甚至有时是无法实现的（例如，对
于激光辐照靶材的壳厚不能缩放的很薄）。基于这样的考
1064nm纳秒脉冲激光诱导硅表面微结构研究
纳秒脉冲激光诱导硅表面微结构研究*
1064 nm
杨宏道 李晓红
李国强 袁春华 唐多昌 徐 琴 邱 荣 王俊波
(
西南科技大学理学院激光与光电子实验室，
极端条件物质特性实验室，
绵阳 621010 )
(2010
年 3
月 17
日收到;2010
年 5
月 7
日收到修改稿)
利用 Nd:YAG 纳秒激光( 波长为 1064 nm ) 在不同气氛( 空气、N
2 ，真空) 中对单晶硅进行累积脉冲辐照，研究了
表面微结构的演化情况. 在激光辐照的初始阶段，与 532 和 355 nm 纳秒脉冲激光在硅表面诱导出波纹结构不同，
1064 nm
脉冲激光诱导 出了微孔结构和 折 断 线 结 构，
并且硅的晶面取向不同，
相应的折断线结构也不同.
对 于
Si(111 )
面，
两条折线交角为 120 °
或 60 ° ，
形成网状;
而对于 Si(100 )
面，
两条折断线正交，
从而将表面分成了 15 —20
μm
的矩形块.
结果表明，
微孔结构的生长过程主要与相爆炸有关，
而折断线的形成主要是热应力作用的结果.
不同
气氛对微结构形成的影响表明，
刻蚀率和生长率与微结构的形成有密切的关系.
关键词: 纳秒激光，硅的微结构，相爆炸，热应力
PACS: 79 . 20 . Eb ，61 . 72 . uf，68 . 37 . － d
引
言 2 .
实
验 1.
实验采用单面 抛 光 (100 )
和 (111 )
取 向 的 两 种
单晶硅片.
首先把硅片切成 1 cm × 1 cm
小片，
再将
样品在丙酮和甲醇中分别超声清洗 15 min，
用氮气
将硅片吹干，然后将单晶硅样品固定在样品台上.
实验中 采 用脉冲持续时间 10 ns，基 频 波 长
1064 nm
的 Nd:YAG
纳 秒 脉 冲 激 光 器，
脉 冲 激 光 通
过焦距为 25 cm
的 聚 焦 透 镜 垂 直 入 射 到 硅 样 品 表
面，
辐照脉冲 数 通 过 机 械 快 门 来 控 制.
热处理对激光粉末床熔融AlSi10Mg_合金热物理性能的影响
引用格式：秦艳利，贾煜琦，张昊，等. 热处理对激光粉末床熔融AlSi10Mg合金热物理性能的影响[J]. 航空材料学报，2024，44(2)：184-191.QIN Yanli，JIA Yuqi，ZHANG Hao，et al. Effect of heat treatment on thermophysical properties of laser powder bedfusion formed AlSi10Mg alloy[J]. Journal of Aeronautical Materials，2024，44(2)：184-191.
热处理对激光粉末床熔融AlSi10Mg合金
热物理性能的影响
秦艳利1*, 贾煜琦1, 张 昊2*, 倪丁瑞2, 肖伯律2, 马宗义2
（1．沈阳理工大学 理学院，沈阳 110158；2．中国科学院金属研究所，沈阳 110016）
摘要：采用激光粉末床熔融（laser powder bed fusion，LPBF）法成功制备AlSi10Mg合金样品，研究130 ℃/4 h时效
处理、236 ℃/10 h退火处理和540 ℃/1 h固溶处理三种热处理工艺对AlSi10Mg合金样品的微观组织的影响，以及
热处理后AlSi10Mg合金在室温～400 ℃的温度范围内热膨胀系数和热导率演变规律。结果表明：时效处理后铝
基体中析出球状的Si颗粒，仍然保留完整的网状共晶硅组织；退火后，网状共晶硅完全消失，球化Si颗粒均匀分布
在基体中；固溶处理后出现大的块状Si颗粒，尺寸在1～3 μm；经过热处理之后AlSi10Mg合金的热物理性能均优
于打印态。退火处理后的合金样品在室温到400 ℃的热膨胀系数为1.64×10−5～2.1×10−5 ℃−1，平均热导率为179.6
W·m−1·K−1，性能优于时效处理和固溶处理。关键词：AlSi10Mg；激光粉末床熔融；热处理；微观结构；热物理性能
doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000174中图分类号：0436 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2024)02-0184-08
激光脉宽超过热热弛豫时间
激光脉宽超过热热弛豫时间
激光脉宽超过热弛豫时间，突破光学限制的新篇章。
激光技术一直以来都是科学和工程领域中的重要工具，它在通信、医学、材料加工等领域都有着广泛的应用。然而，传统的激光脉冲宽度受到了热弛豫时间的限制，这一限制一直以来都是激光技术发展的瓶颈之一。但是，最近的一项研究却突破了这一限制，为激光技术的发展开辟了新的可能性。
热弛豫时间是指激光材料在受到激发后重新回到基态所需的时间，它决定了激光脉冲宽度的下限。传统的激光技术往往受到这一限制，导致无法获得更短脉冲宽度的激光。然而，最新的研究表明，通过利用新型材料和先进的激光脉冲调控技术，可以突破热弛豫时间的限制，实现激光脉宽超过热弛豫时间的突破性进展。
这一突破为激光技术的发展带来了许多新的机遇。首先，超短脉冲激光的应用领域将得到进一步拓展，比如在超快激光成像、高精度激光加工等方面将会有更加广泛的应用。其次，超短脉冲激光对于材料的相互作用也将会产生全新的效应，这将为材料科学和纳米技术的发展带来新的动力。另外，超短脉冲激光还将为量子信息处理、激光核聚变等前沿领域的研究提供新的工具和方法。
总的来说，激光脉宽超过热弛豫时间的突破，将会为激光技术的发展带来深远的影响，推动激光技术向着更加精密、高效的方向发展。相信随着这一突破的不断深化和应用，激光技术将会在更多领域展现出其强大的潜力，为人类社会的发展做出更大的贡献。
1064 nm、532 nm、355 nm波长脉冲激光辐照多晶硅损伤特性研究
1 064 nm、532 nm、355 nm波长脉冲激光辐照多晶硅损伤特性研究
冯爱新1,2,3，庄绪华2，薛伟1，韩振春4,2，孙铁囤3，陈风国2，钟国旗2，印 成2，何 叶2
【摘 要】摘要：为系统研究不同波长激光与多晶硅材料的相互作用，采用1
064 nm、532 nm、355 nm波长单脉冲激光对多晶硅进行辐照实验，研究多晶硅在这三种波长激光下的损伤形态。实验结果表明：在其他参数不变的情况下，损伤阈值随激光波长的减小而变小，且与波长呈线性关系；在低能量密度水平下，355 nm激光与物质作用主要是以光化学模型为主的光化学-光热共同作用方式，其他波长为光热模型；在激光能量密度处于低水平时，辐照区域出现相互连接的规则六边形微结构，并且六边形中心呈现圆形凸起状态，其产生是由液体横向流动的波动本质造成的，并与多晶硅表面的粗糙度有关。
【期刊名称】红外与激光工程
【年(卷),期】2015(000)002
【总页数】5
【关键词】波长；多晶硅；损伤阈值；微结构
0 引言
研究半导体材料的激光损伤特性，对于探索激光与物质相互作用和实现优化激光加工参数都具有非常重要的意义[1]。靶材在强激光的作用下，由于破坏机理不同，对应的破坏阈值也不同[2]。不同波长的激光作用于半导体材料时，也会对材料表面的温度分布产生影响，即通常所说的“波长效应”[3]。近年来，采用脉冲激光在硅表面制备各种微纳结构的研究越来越多，激光辐照过的表面不
但可以形成亚波长周期性波纹结构，而且可以形成锥形尖峰结构。周期性波纹结构具有类似光栅的结构，而锥形尖峰结构具有强吸收、场发射、疏水性和光致发光等特性。因此，研究这些微结构的影响因素和探究其表面的性质具有重要的意义[4]。
多晶硅是硅太阳电池的重要组成部分。采用激光技术来制备太阳电池或替代现有太阳电池某些工艺环节，来提高效率、降低成本和减少电池生产中的污染，是目前太阳电池研究和开发的热点[5]。有关激光辐照半导体材料损伤的理论及实验已经有了不少工作[6]。但是，基本上是针对单晶硅材料以及激光单波长进行实验研究，对于不同波长激光与多晶硅材料相互作用系统的实验研究较少。此文采用不同参数激光束对多晶硅材料进行辐照实验，研究了多晶硅材料在1
重离子辐照对材料性能的影响研究
重离子辐照对材料性能的影响研究
近年来，随着科技和工程领域的不断发展，重离子辐照在材料科学中扮演越来越重要的角色。重离子辐照是指利用高能量、高速度的重离子束对材料进行辐照，其能量和速度较高，使得入射的重离子克服原子间的相互作用力，形成显著的损伤，从而对材料的性能产生影响。
首先，重离子辐照对材料的微观结构产生了显著的改变。辐照过程中，重离子束与材料相互作用，导致材料表层产生能量沉积。这种沉积会在材料晶格中形成截断原子行列、位错和晶体缺陷等，从而改变材料的结构。研究发现，辐照后的材料晶界和晶格缺陷密度增加，晶粒尺寸变小，结晶度下降。这些微观结构的变化进一步影响了材料的力学性能、导热性能以及电学性能等方面。
其次，重离子辐照对材料的力学性能产生了显著的影响。实验研究表明，辐照过程中，材料的屈服强度和抗拉强度会发生变化。在低剂量的辐照下，材料的屈服强度和抗拉强度会增加。而当剂量进一步增大时，这种变化趋势会逆转。辐照过程中，重离子所引起的晶体缺陷会导致材料内部的原子重新排列，从而改变了材料的原子间距和结构，进而影响材料的强度。此外，辐照还可能引起材料的微裂纹和氢脆现象，进一步降低了材料的韧性。
在导热性能方面，重离子辐照对材料的影响也是不可忽视的。研究发现，辐照后的材料热导率会出现变化。一方面，辐照会引起材料中的晶格缺陷增加，导致晶格热阻的增加，从而降低材料的热导率。另一方面，重离子束的能量沉积会产生局部的熔融现象，形成一系列的辐照缺陷，这些缺陷能够散射热流，进一步降低材料的热导率。因此，重离子辐照对于导热材料的热管理具有重要意义。
此外，重离子辐照还对材料的电学性能产生了一定的影响。辐照过程中，重离子束与原子相互作用会造成电子的电离和电子-空穴对的生成，使得材料的电导率发生变化。研究发现，辐照后的电导率会出现不同程度的增加或减小，取决于重离子束的入射能量和剂量。此外，重离子束还会影响材料的绝缘性能，辐照后的材料可能出现局部的电离现象，导致材料的绝缘性能下降。
复合材料激光辐照实验中的吸收特性研究
陈林柱等：复合材料激光辐照实验中的吸收特性研究 复合材料激光辐照实验中的吸收特性研究 陈林柱 ，王立君 ，韦成华 。，林新伟 ，刘 峰 ，叶锡生 （１．西北核技术研究所，陕西西安７１００２４； ２．西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室，陕西西安７１００２４） 摘 要： 在复合材料激光烧蚀研究中，首要解决的问 题是激光的吸收问题。利用积分球法测量了材料蒙皮 层及材料整体结构对１．３１９ ｍ红外激光的反射率和 透过率，获得了蒙皮层材料激光吸收特性随厚度的变 化规律，以及材料表面状态变化导致的反射与透射特 性的变化。在此基础上研究了蜂窝夹层材料激光烧蚀 前后的反射、透射性能变化，结果表明，材料表面碳化 后对近红外激光的反射率由３Ｏ 降为１Ｏ 左右，透过 率由４０ 降为０，平均吸收率由３Ｏ 增加到９０ ，蜂 窝夹层材料对激光的吸收大大增加。 关键词： 复合材料；激光烧蚀；反射与透射；吸收特性 中图分类号：ＴＢ３０３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－９７３１（２０１０）１０—１７０９—０３ １ 引 言 蜂窝夹层复合材料作为一种特殊的复合材料结 构，广泛地应用于无人机、导弹整流罩、航天飞机烧蚀 防护层等飞行器的功能结构部件＿１ ］。飞行器的高速 运动导致表面烧蚀会改变其性能，利用激光辐照可以 较好地模拟高速升温过程，进而研究其性能变化。美 国、日本的一些研究机构很早就系统地开展了激光辐 照复合材料研究，对激光辐照下的温度场、烧蚀阈值和 纤维失效条件等方面进行了分析［５ ］，并将激光烧蚀实 验结果与热气流烧蚀结果进行了比较 ］。从２０世纪 ９０年代开始，国内一些单位陆续开展了多种复合材料 激光烧蚀研究 。引，以及激光烧蚀对材料结构、性能的 影响 。 ］。 在激光辐照复合材料实验中，材料的吸收是关系 到激光能量耦合的第一性问题；同时，随着激光辐照增 强，材料发生结构变化其吸收特性也发生变化，为此材 料的吸收特性及其辐照过程中的变化就显得非常重 要。美国空军实验室的Ｒ．Ｆｒｅｅｍａｎ等口 用半椭圆反 射仪测量了航空用复合材料对１．４ ｍ激光的反射特 性，并与金属材料作了比较，但未见到激光烧蚀过程中 的吸收特性变化研究结果。国内对于复合材料的激光 吸收特性研究开展较少ｌｌ ，一般是通过烧蚀失重研究 烧蚀热 。 本文采用１．３１９￣ｍ的近红外激光作为辐照光源， 利用积分球法测量了蜂窝夹层材料的透过率和反射 率，进而获得其吸收特性。并对蜂窝夹层材料在激光 烧蚀过程中的吸收特性变化以及材料表面碳化后的吸 收率开展了研究，其结果有助于分析激光烧蚀蜂窝夹 层材料作用过程。 ２实验试样简介 实验所用蜂窝夹层材料试样分为３层（如图１所示）， 上、下蒙皮为不同厚度的高强平纹玻璃布层压板，中间为 Ｎｏｍｅｘ纸蜂窝结构，蒙皮与蜂窝夹芯通过胶粘剂胶接成 整体，制作工艺为干法成型［Ｊ引。其中上蒙皮厚度为０．４ ｒｎｌＴｌ，下蒙皮厚度为０．２ｍｍ；中间夹层Ｎｏｍｅｘ纸蜂窝单元 边长为４．５ｍｍ；试样总厚度为５．６ｍｍ。 胶粘剂 刀 蒙皮 夹芯 蒙皮 图１ 蜂窝夹层材料结构 Ｆｉｇ １ Ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ ｓａｎｄｗｉｃｈ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ３ 蜂窝夹层材料的近红外激光吸收特性 蜂窝壁垂直于蒙皮，因此在研究其吸收时重点考虑 蒙皮的作用。高强平纹玻璃布与环氧树脂对激光均有透 过，激光在整个蒙皮的传输可以看成是多层结构的反射、 吸收、透射。多层材料中第１层材料透射的激光能量会被 第２层材料反射一部分回到前表面，另外一部分会被材料 吸收，因此材料表面的反射率和吸收率会增加，而透射率 会减小。材料层数的增加，对前表面的反射率增加有贡 献。可知随着材料层数的增加，材料的反射率是增加的。 但是当材料层数增加到某一层数时，该层材料界面上反射 的光在向前表面传输的过程中被材料完全吸收，此时，材 料的反射率趋于恒定值。 材料的反射率和透过率采用积分球法测量，吸收 由能量守恒原理计算，反射率Ｒ、吸收率Ａ和透射率丁 之间满足关系： Ｒ＋Ａ＋丁一１ （１） 则有吸收率： Ａ＝＝＝１一Ｒ—Ｔ （２） ＊收到初稿日期：２０１０—０７—２０ 收到修改稿日期：２０１０—０９—１６ 通讯作者：叶锡生 作者简介：陈林柱（１９８Ｏ一），男，浙江永康人，在读硕士，师承叶锡生研究员，主要从事激光与物质相互作用研究。
强激光辐照下金融材料表面热力学效应
第３ｌ卷第４期
２００２年４月 电 乍担
ＡＣＴＡ ＰＨ０Ｔ０ＮＩＣＡ ＳＩ ＩＣＡ Ｖｏ１．３ｌ Ｎ。＿４
强激光辐照下金属材料表面热力学效应
郑瑞伦刘俊
（西南师范大学物理系，重庆４￣￣０７１５）
摘 要 导出格林乃森参量随温度的变化规律以及热压强的表示式，建立了强激光辐照下奎
属材料表面附近的温度和应力所满足的数学方程．以Ｃｕ例，对激光辐照下材料表面的热力 学效应作以分析．
关键词激光辐照；格林乃森参量；金属材料；热力学效应
０ 引言
强激光 强脉冲粒子束（ＩＰＩＢ）等高能粒子束 技术．在金属材料表面改性、纳米粉末的制备、镀
膜等方面的应用，早已引起人们的广泛关注，不少
学者已对强激光与物质的相互作用进行了研 究 ．晟近有学者对强脉冲粒子束辐照金属材料
表面热力学效应作了计算 ，但上述研究只计及温 度分布和温升率．未考虑热应力．文献５考虑到
应力．但未从微观角度讨论，所得结果不能反应材 料结构、组成原子的相互作用等对温度分布、热应
力的影响．因而不能深入揭示强激光与物质相互 作用的微观细节、显然．讨论强激光辐照下金属 表面热力学敛应，揭示强激光与物质相互作用的
微观机制，是一个待解决的重要问题．为此，本文 将考虑粒子相互作用微观细节．从光子与声子相
互作用出发．建立普遍情况下强激光辐照下金属
材料表面热力学效应遵从的数学方程，并以Ｃａ
为例，对激光辐照金属板材的表面热力学效应作 分析 平均相互作用势为 （Ｒ）一Ｕ（尺）／Ｗ．将它在平衡 位置Ｒ ．附近展开，偏离ｆ—Ｒ—Ｒ。很小，有
（｝）一 （尺ｏ）４－２ Ｅｏ ～￡ ＋Ｅ！ （２）
式中 ＝ （Ｒ。）， 一雪 （Ｒ。）／３ ｊ， ： （尺 ）／４ １分别是简谐系数．第一、第二非简谐系
数．利用 一Ｅｎ／ ，将岛视为体积 的函数，并
注意到 与Ⅳ、尺的关系为 一卢ⅣＲ （对ｓｃ晶体
结构， ＝１｛对ｂｅｅ结构， ＝４ ３／９；对ｆｃｃ结
构、 一１ ／２），可求出 对 的变化率（劬／ ０Ｖ） ．对Ｃｕ、Ａ１等金属．它们是面心立方结构 （ｆｃｃ ．结果为
强流脉冲碳离子束辐照铬镍钢表面热效应的模拟分析
２ ０ ０ ６年１ ０月 沈阳理工大学学报
第２ ５卷第５期ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＦ ＳＨＥＮＹＡＮＧ ＨＧＯＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ Ｖｏ１．２ ５ Ｎｏ．５
Ｏｃｔ． ２ ０ ０ ６
文章编号：１００３—１２５１（２００６）０５—００８０—０４
强流脉冲碳离子束辐照
铬镍钢表面热效应的模拟分析
王琛元，莫春立，张 罡，姚 俊
（沈阳理工大学中俄联合高能柬流实验室，辽宁沈阳１ １０１６８） ●
摘要：为了揭示强流脉冲离子束辐照材料表面的热效应，用有限元方法建立了强流脉
冲离子束辐照金属表面的传热模型，以铬镍钢（Ｉ７一ｔ９Ｃｒ／９—１３Ｎｉ）为靶材，对不同载荷
和边界条件下的热效应进行模拟，分析了靶材在不同条件下加热和冷却的效应，给出了
铬镍钢在辐照后内部温度分布、状态变化以及温度变化速率．
关键词：强流脉冲离子束；有限元；热效应 中图分类号：ＴＧ１７４．４４４ 文献标识码：Ａ
过去二十年来，强流脉冲离子束（Ｈｉｇｈ—ｉｎｔｅｎ—
ｓｉｔｙ ｐｕｌｓｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍ—ＨＩＰＩＢ）在材料表面改性方面
受到了广泛关注¨ Ｊ．相对于其它表面改性方式，
强流脉冲离子束具有超高温、超高压、强磁场等特
性，其短脉冲宽度内的高能量密度沉积及高加热
和冷却速率（１０８—１ ０１１ｃｃ／ｓ），可在瞬间实现材
料表面高能量密度的沉积，表面温度急剧升高和
降低，产生极大的热效应和力学效应，使材料表面
成分、组织及性能发生显著变化，以达到材料表面 改性的目的Ｈ ｊ．由于极短的脉冲作用时间和高功
率密度等因素的限制，ＨＩＰＩＢ辐照热效应的实验研
究较为困难，传热过程的研究主要依赖于理论计
算 ～ ．在ＨＩＰＩＢ热一力学研究中，理论数据的匮
乏制约了研究的深入进展，也成为本课题的一个
瓶颈．
本文用有限元方法，以铬镍钢（１７—１９Ｃｒ／９， １３Ｎｉ）为材料，对靶材在不同载荷和边界条件下进
行热效应的模拟，分析了靶材在不同条件下加热 及冷却时的不同效应．进而为ＨＩＰＩＢ的材料表面