激光與金屬材料相互作用的熱效應(yīng)分析

簡(jiǎn) 欣，徐讓書，邵長(zhǎng)浩，李 駿

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽(yáng) 110136)

材料工程

激光與金屬材料相互作用的熱效應(yīng)分析

簡(jiǎn) 欣，徐讓書，邵長(zhǎng)浩，李 駿

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽(yáng) 110136)

激光與金屬材料相互作用的熱效應(yīng)是激光束輻照材料后發(fā)生的主要物理現(xiàn)象之一。激光加熱使材料溫度急劇上升，很快達(dá)到材料的熔點(diǎn)。通過(guò)使用商業(yè)CFD軟件FLUENT數(shù)值模擬激光輻照金屬材料的相互作用，并在一定的假設(shè)和邊界條件下得到金屬材料未熔化之前溫度場(chǎng)沿徑向和軸向分布情況、氣流最高溫度的變化和位置的轉(zhuǎn)移、氧化反應(yīng)和對(duì)流換熱對(duì)熱效應(yīng)的影響。

激光輻照；金屬材料；溫度場(chǎng)；數(shù)值模擬；熱效應(yīng)

激光輻照金屬材料是一個(gè)極其復(fù)雜的物理與化學(xué)變化過(guò)程，激光輻照下金屬材料表面溫度將會(huì)快速上升，很快達(dá)到材料的熔點(diǎn)。尹益輝等[1]總結(jié)了快速加熱下金屬力學(xué)性能溫升率效應(yīng)研究的有關(guān)工作和結(jié)果。袁永華等[2]分析了不同頻率激光輻照涂層殼體材料的溫升特性。赫秋龍等[3]考慮了材料的質(zhì)量熱容、熱導(dǎo)率、馳豫時(shí)間等熱力學(xué)參數(shù)隨溫度非線性變化因素的影響。他們都沒(méi)有研究氧化反應(yīng)對(duì)金屬溫升以及氣流溫度的影響。激光加載下金屬材料的溫度場(chǎng)以及相變過(guò)程取決于壁面的加載條件，在有附面層氣流切向吹過(guò)靶材表面時(shí)，氣流流動(dòng)引起的對(duì)流換熱以及靶料和空氣中氧氣發(fā)生的氧化反應(yīng)放出的熱量將對(duì)靶材內(nèi)部溫度有影響。氧化反應(yīng)的放熱量由氧化反應(yīng)熱和氧化反應(yīng)的程度所決定[4]。本課題主要研究在激光加載下，從激光加載時(shí)刻開(kāi)始，金屬靶材就會(huì)與表面氣流中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，而且有亞音速氣流流過(guò)金屬表面，對(duì)流換熱、氧化放熱和激光加載的能量綜合作用在靶材上影響靶材的溫度場(chǎng)和氣流的溫度。

1 計(jì)算模型

課題采用的計(jì)算模型如圖1所示，試件材料為鋼。在激光加載下，靶材內(nèi)部瞬態(tài)的熱傳導(dǎo)方程如下：

(1)

式中，ρ為鋼的密度，c為鋼的定壓比熱容，T為溫度，t為時(shí)間，Sh為內(nèi)熱源，k為導(dǎo)熱系數(shù)。激光輻照能量和氧化放熱量將以熱流密度形式的邊界條件加入計(jì)算模型，其形式如下：

(2)

(3)

式中，r為輻照表面某點(diǎn)距離輻照中心點(diǎn)的距離，r0為激光輻照光斑半徑。在極短時(shí)間內(nèi)，氧化層厚度滿足如下關(guān)系式[6]：

(4)

式中，Tc為初始溫度；D為實(shí)驗(yàn)擬合參數(shù)，該參數(shù)由每一時(shí)刻熔體移動(dòng)狀態(tài)a/u所決定。a為輻照表面面積，u為熔化表面溶液速率。u由溶液此時(shí)的狀態(tài)σh/η所決定，h為熔池深度，η為溶液粘度，σ為表面剪應(yīng)力。假定σ有如下關(guān)系式[7]

σ=cρU2

(5)

式中，流動(dòng)的細(xì)節(jié)對(duì)全局因素c沒(méi)有影響，ρ為氣流密度，U為氣流速度。說(shuō)明氧化層的厚度主要由與氣流的相互反應(yīng)所決定，而不是復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng)。式(2)可以寫成：

(6)

式中，參數(shù)Qc=(0.8kW/cm2)/(104cm/s)和Tc=4 000 K。

圖1 計(jì)算模型圖

2 計(jì)算結(jié)果與分析

本次課題共研究了金屬板表面的空氣流速分別為0、20、40、60以及氮?dú)饬魉俜謩e為20、40和60 m/s7種情況,模擬代號(hào)A0、A20、A40、A60、N20、N40和N60。A代表空氣，N代表氮?dú)?，?shù)字代表速度。圖2為A0、A60和N60三種情況下靶材輻照表面中心點(diǎn)溫度隨輻照時(shí)間的變化。

圖2 輻照中心點(diǎn)溫度隨輻照時(shí)間變化

可以看出，輻照中心點(diǎn)在激光加載的起始階段溫升速率幾乎可以達(dá)到5 000 K/s，但這一階段持續(xù)的時(shí)間很短，可以占到整個(gè)輻照時(shí)間的10%左右，這是因?yàn)榧す饧虞d的時(shí)間太短，靶材在低溫時(shí)的比熱容較小，靶材來(lái)不及將熱量向內(nèi)部傳遞；在最初始的快速升溫過(guò)程結(jié)束后，溫升速率會(huì)有明顯的減緩，在靶材溫度達(dá)到1 500 K左右之后，溫升速率會(huì)與輻照時(shí)間成線性關(guān)系。對(duì)比A0和N60的輻照中心點(diǎn)溫升曲線，可以清楚的看到對(duì)流換熱對(duì)靶材溫升的影響，在同一時(shí)刻，A0曲線的溫度總是大于N60；A60加入了氧化放熱，靶材達(dá)到熔點(diǎn)所需的輻照時(shí)間明顯小于N60，而且同一時(shí)刻溫度也是略高于N60。上述情況在A20和N20以及A40和N40中也是存在的。7種情況下所需的輻照時(shí)間t(s)分別為2.1、2.17、2.2、2.2、2.2、2.25和2.3。輻照持續(xù)一定時(shí)間后，熱量將由靶材表面?zhèn)鬟f到靶材的背面，引起靶材背面溫度變化，圖3為A0、A60和N60背面中心點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化。

圖3 背面中心點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化

可以看出：從開(kāi)始時(shí)刻t=0到t=0.6 s左右，靶材背面溫度幾乎沒(méi)有變化，背面中心點(diǎn)溫度開(kāi)始上升的初始時(shí)刻出現(xiàn)在輻照中心點(diǎn)溫度與輻照時(shí)間成線性關(guān)系的開(kāi)始時(shí)刻，這是因?yàn)闊崃康膫鲗?dǎo)是需要一定的時(shí)間。A0曲線的溫升速率要大于A60和N60的溫升速率。在輻照結(jié)束后，7種模擬情況下的背面中心點(diǎn)溫度是不相同的，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因有個(gè)，一是不同速度的亞音速氣流帶走的熱量不同，二是氧化反應(yīng)放出的熱量會(huì)影響最后的溫度分布，但本質(zhì)都是氣流的速度不同所引起的。從而導(dǎo)致所需的輻照時(shí)間不同，激光加載的能量也就不相同。

隨著輻照時(shí)間的持續(xù)，靶材內(nèi)部的溫度會(huì)越來(lái)越高，在經(jīng)歷了不同時(shí)間的激光加載之后，靶材表面的溫度分布幾乎相同，但是在激光加載區(qū)域具有相當(dāng)大的溫度梯度，非輻照區(qū)域的溫度相對(duì)于輻照區(qū)域壁面溫度幾乎沒(méi)有太大的變化，可見(jiàn)在激光加載這樣的瞬時(shí)強(qiáng)熱作用下，其加熱區(qū)域僅限于光斑所在的區(qū)域。激光加熱開(kāi)始后，靶材表面光斑區(qū)的溫度迅速升高，并在緊鄰試件表面的氣流中形成具有較大溫度梯度值的熱邊界層。由于氣流的熱對(duì)流作用，氣流中最高溫度的區(qū)域與呈高斯分布的輻射熱流最大值并不對(duì)應(yīng)，而是偏向下游如圖4。

圖4 氣流溫度沿軸向方向分布

A0的氣流溫度分布是呈高斯分布的，其非激光加載區(qū)上游溫度是高于A60和N60的溫度，但在下游有明顯的小于A60和N60的溫度。A60和N60的氣流在輻照區(qū)域溫度逐漸上升，但最后的溫度并不是很高，約為400K，在氣流流過(guò)輻照區(qū)域后溫度不再上升，最高溫出現(xiàn)在激光加載的最右端。氣流速度越小，最高溫度越高。

激光的中心功率密度為3.6×E+3[W/cm2]，穩(wěn)定時(shí)投射輻射的平均功率密度為1.65×E+3[W/cm2]，對(duì)流換熱量與氧化放熱量對(duì)靶材溫度的影響如下圖：

圖5 對(duì)流換熱、氧化放熱占總能量的百分比

從圖5可知，在不考慮氧化放熱時(shí)，隨著氣流速度的增加，對(duì)流換熱量越來(lái)越大，氣流速度20 m/s時(shí)，對(duì)流損失的能量占激光加載總能量的12.9%，氮?dú)馑俣?0 m/s時(shí)，強(qiáng)制對(duì)流帶走的經(jīng)占到總能量的15.2%。在其他條件相同時(shí)，A20、A40和A60內(nèi)部溫度明顯高于N20、N40和N60，前者所需的輻照時(shí)間卻小于后者，這就是氧化放熱對(duì)靶材內(nèi)部溫度的影響。氧化反應(yīng)放出的熱量會(huì)隨著流速的增加而變大，從20 m/s的16.2%變?yōu)?0 m/s的26.3%。

3 結(jié)論

本文對(duì)激光輻照下的金屬材料因激光熱效應(yīng)引起的溫升進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：(1)在激光輻照初期，約占整個(gè)過(guò)程的1/10，靶材的溫升速率可以達(dá)到5 000 K/s，主要是因?yàn)樵跇O短的時(shí)間內(nèi)，靶材表面吸收的熱量來(lái)不及向內(nèi)部傳遞，積聚在了表面；下一階段，靶材本身的熱傳導(dǎo)與加載能量將會(huì)逐漸形成一種平衡，表現(xiàn)為溫升速率先是呈一定曲線狀減小，隨后與輻照時(shí)間成線性關(guān)系；(2)在有氣流縱掠過(guò)靶材表面時(shí)，氣流將會(huì)對(duì)輻照前端進(jìn)行氣動(dòng)冷卻，對(duì)靶材中后端氣動(dòng)加熱，結(jié)果就是靶材內(nèi)部的溫度不會(huì)是對(duì)稱分布，氣流中最高溫度的區(qū)域與呈高斯分布的輻射熱流最大值并不對(duì)應(yīng)，而是偏向下游；速度越小最高溫度越高；(3)氧化反應(yīng)放出的熱量會(huì)隨著空氣流速的增加而變大，在整個(gè)模擬過(guò)程中占到靶材吸收熱量的比重也會(huì)增大。

[1]尹益輝,陳裕澤,彭向和.金屬力學(xué)性能的溫升率效應(yīng)研究概述[J].強(qiáng)激光與粒子束,2006,18(12):1964-1968.

[2]袁永華,劉常齡,王偉平,等.重復(fù)頻率激光輻照涂層金屬材料的溫升[J].強(qiáng)激光與粒子束,1997,9(3):477-480.

[3]赫秋龍,齊文宗,劉全喜,等.超短脈沖激光輻照金屬薄膜溫升效應(yīng)的模擬研究[J].強(qiáng)激光與粒子束,2006,18(6):908-912.

[4]Boley C D,Fochs S N,Rubenchik A M.Lethality effects of a high-power solid-state laser[C]//4th High Energy Laser Lethality Conference,2007.

[5]孫承偉.激光輻照效應(yīng)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2002:1.

[6]Prokhorov A M,Konov V I,I Ursu,et al.Laser Heating of Metals[M].Denmark:Adam Hilger,1990.

[7]Landau L D,Lifshitz E M.Fluid Mechanics[M].Oxford:Pergamon Press,1978.

(責(zé)任編輯：宋麗萍 英文審校：劉敬鈺)

Thermaleffectanalysisoftheinteractionbetweenlaserandmetalmaterial

JIAN Xin，XU Rang-shu，SHAO Chang-hao,LI Jun

Faculty of Aerospace Engineering，Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136)

The thermal effect of the interaction between laser and metal material is one of the most important physical phenomena when the laser irradiates metal surface.The laser-induced heating leads to the sharp temperature rise of metal surface,which will soon reach material melting point.By using the commercial CFD software FLUENT,this paper examines the interactions between laser and metal materials under different light spot radius and gets metal materials distribution of temperature field along the radial and axial before melting under certain assumptions and boundary conditions and the maximum temperature of flow and the location,and how oxidation reaction and convection heat transfer influence thermal effects is also observed.

laser irradiation;metal materials;temperature field;numerical simulation;thermal effect

2013-09-11

激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金課題(項(xiàng)目編號(hào)：SKLLIM1001-02)

簡(jiǎn)欣(1988-)，男，陜西渭南人，碩士研究生，主要研究方向：流動(dòng)數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)技術(shù),E-mail:1451501212@qq.com；徐讓書(1962-)，男，浙江樂(lè)清人，教授，主要研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真研究，E-mail:xurangshu@yahoo.com。

2095-1248(2014)01-0033-04

TN241

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.01.008