基于热表面张力流动的激光金属抛光机理与工艺规划研究

Since the traditional surface polishing technologies cannot meet the requirements of precision machining for the the complex surfaces and micro areas, the laser polishing as a new surface technology is investigated in this project. At present, the state of art of the laser polishing is based on the trial and error experiments. The basic mechanism based on thermo-capillary flow and process of planning in laser polishing of metals are performed by means of theoretical analysis, numerical simulation and experimental study. .The convergence problem for the calculation of multi-field coupling is solved by introducing the weak form method, which helps to establish a fluid-solid-heat coupling finite element model for laser polishing process. Based on the analysis of influence of process parameters on the flow behavior of molten metal, the dynamic evolution of surface morphology is studied to establish a model than can describe the relationship between process parameters, the polishing temperature and the surface quality. The criterion to distinguish capillary flow and thermo-capillary flow is explored to reveal the dominated mechanism in laser polishing. The relationship between various quality parameters is analyzed to establish a comprehensive evaluation method for polishing surface quality. Based on the influence of the processing parameters on the polishing quality, the process planning of laser polishing is proposed to achieve high quality polishing surface. The research results of this project can provide theoretical basis and technical support for precision machining in micro scale complex surface.

本项目针对传统表面抛光技术已经无法满足复杂表面和微小区域精密加工的问题，研究激光抛光的表面处理新型工艺。基于目前激光抛光采用实验试错探索的研究现状，采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的手段，开展基于热表面张力流的金属激光抛光的基础理论及工艺规划研究。通过引入弱形式方法，解决多场耦合计算的收敛问题，建立热-流-固耦合的激光抛光有限元模型；分析加工参数对熔融金属流动行为的影响规律，研究表面形貌的动态演变过程，建立加工参数、抛光温度与加工质量的关系描述模型，探索表面张力流与热表面张力流的判断准则，揭示激光抛光的主导机制；分析各个质量表征参数之间的关联关系，建立抛光表面质量的综合评价方法，结合加工参数对抛光质量的影响规律研究，提出激光抛光工艺参数的规划方法，实现加工表面的高质量抛光。本项目的研究成果可以为微观尺度复杂表面精密加工提供理论基础和技术支撑。

激光抛光技术是一种新型材料表面处理技术，在微纳制造和精密加工领域具有很好的应用前景。现有的研究工作主要集中在激光抛光实验表征方面，少数涉及金属熔融状态的流动仿真，对于激光抛光过程中的熔融金属流动机制尚未明确。因此，本项目通过激光抛光的过程仿真，研究激光抛光的金属流动行为，揭示流动行为的主导机制，阐明激光抛光对材料性能的影响规律。. 设计并搭建了激光抛光实验系统，通过正交实验设计，优选了适用于TC4钛合金的工艺方案，分析了激光功率、扫描速度和扫描路径间距三个工艺参数对抛光表面粗糙度的影响规律；采用基于任意拉格朗日欧拉法的移动网格技术解决了熔池自由表面的变形问题，通过弱形式方法解决了多场耦合计算收敛问题，建立了激光抛光过程热-流耦合有限元模型，计算得到了激光抛光过程中熔池温度场、速度场以及熔池表面形貌的动态变化过程；分析了不同时刻不同区域熔池流动的主要驱动力以及流动形式，揭示了激光抛光熔融金属流动的主导机制：表面张力流主要在熔池发展初始阶段，去除具有大曲率的表面特征，热表面张力流主要在熔池充分发展阶段，推动熔融金属沿表面方向重新分布，使表面更加平整；推导了激光抛光过程中TC4钛合金材料的不同类型固态相变的相变动力学数学模型，建立了激光抛光热-相变耦合数值模型，定量地计算了随时间变化的激光抛光过程中TC4钛合金各相体积分数，直观再现了相变过程，明确了TC4钛合金在激光抛光加工过程中的相变规律；研究了激光抛光工艺对TC钛合金金相组织、晶粒大小、硬度、残余应力和耐腐蚀性的影响规律，揭示了激光抛光对材料性能的影响机制。. 本项目采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的手段，系统地分析了熔融金属流动行为、材料相变过程、激光抛光工艺参数对表面粗糙度的影响规律以及抛光面的表面质量评价，为形成高精度激光抛光的工艺方法提供理论基础。