基于局域场增强效应的微缺陷金属表面激光作用机制及造型研究

The relationship between the interfacial bonding strength and the surface state of metal is close. The laser processing of the metal surface is a research focus in the field of the surface machining, and has attracted most attentions from scholars and engineers at home and abroad. In this project, the complex surface topography can be sophisticated gained by laser texturing using the properties of the selective absorption between the micro-defects on the metal surface and the laser intensity. The different field amplitude and phase distribution at the micro-defects will be obtained by the numerical simulation of the finite-difference time-domain method and the solution of Maxwell's equations. The mathematical model of the evolution law of the micro defects irradiated by the laser will be established by the numerical simulation of the finite element software, considering that the local field enhancement effect and the thermodynamic coupling action between the laser and the micro defects. Then the laser-induced plasma and shock wave will be detected and the mathematical model will be modified and improved by the inverting thermodynamic characteristics. The relationship between the surface topography characteristics and the technological parameters or laser parameters will be used to guide the sophisticated surface texturing of the metal such as titanium alloy. The project aims to reveal the mechanisms of laser texturing at the micro-defects on the metal surface and improve the interfacial bonding strength, which can be used to support the engineering applications of the surface plating technology.

金属的表面状态直接关系其界面结合强度性能，采用激光处理金属表面，受到国内外学者和工程技术人员的广泛关注，成为当前表面加工技术领域的研究热点。本项目利用金属表面的微缺陷会对激光有选择性地吸收的特性，实现复杂表面形貌的激光精密造型。采用时域有限差分法仿真，利用Maxwell方程求解，分析缺陷位置处不均匀的场强幅值和相位分布；考虑这种局域场增强效应，根据微缺陷与激光的热力耦合作用，采用有限元软件数值仿真，研究激光作用下微缺陷的演化规律，建立数学模型；并通过激光诱导等离子体和冲击波的检测，反演激光作用下的热力学特性动态变化过程，修改完善数学模型；结合表面形貌表征，研究表面形貌特征与激光参数、工艺参数的关系，指导钛合金等金属表面的精密造型。本项目旨在揭示激光作用下微缺陷金属表面的激光造型机制，提高界面结合强度性能，为表面涂镀技术的工程应用提供支持。

金属表面存在大量微缺陷，激光去除表面缺陷具有可精密控制、重复性好、便于自动化集成、无磨损和环境友好等优势。激光与金属表面缺陷作用是复杂光物理化学过程，具有局域场增强效应。本项目围绕微缺陷金属表面激光加工技术，理论推导局域场增强效应，仿真分析缺陷位置处激光光场分布情况，研究激光作用金属表面微缺陷位置处局部温度场变化，建立微缺陷在激光加载下表面形貌的演化规律，研究弹性变形和塑性变形特性，采用统计方法分析激光作用微缺陷表面形貌，研究基于微颗粒的纳米造型工艺和金属表面氧化物的去除工艺，建立部分基于微缺陷激光造型的工艺参数和方案数据库。项目获得的主要结论如下：(1) 建立电介质纳米颗粒的米氏散射和瑞利散射增强模型，构建贵金属纳米颗粒的等离子体共振增强模型，获得与颗粒类型、入射激光波长、入射角度、背景折射率等相关参数的场增强曲线，为缺陷去除、纳米孔和奇异孔的制备奠定理论基础。(2)探讨缺陷与激光作用的温升规律，获得温度场与时间关系曲线，明确激光光斑尺寸、能量密度等加工参数对温度场的影响，发现小激光能量下热弹性去除机制和大激光能量下塑性变形机制。(3)采用平均强度、偏态和峰值等三个统计参数评价激光散斑图像，确定金属表面缺陷的去除阈值和基体损伤阈值，综合效率和效果选取加工参数。(4)克服纳米颗粒难以沉积的难题，主动制造与纳米颗粒相关的纳米孔，获得在不同激光能量下的表面形貌规律，分析光斑形状对表面形貌的影响规律。(5)研究金属表面氧化物缺陷的去除效果，探讨解决由于金属基体熔融阈值较低导致的二次氧化难题，分析激光能量与表面氧含量、表面形貌的关系，获得金属氧化物去除加工参数和评价手段。(6)探讨液体介质中采用激光诱导空泡冲击波作用力加工材料表面的新方法，提出激光处理缺陷的一种新思路，探测激光能量、等离子体、空泡三者之间能量传递的关系，确定离焦量1.0mm为最佳加工距离。研究表面微缺陷对激光的选择性吸收效果，改善金属表面性能，为完善激光加工理论和促进技术工程应用奠定了基础。