高能激光輻照條件下構(gòu)件溫度場(chǎng)模擬研究

馮俊森，李和章，馬　壯

(1.北京理工大學(xué) 材料學(xué)院，北京 100081；2.沖擊環(huán)境材料技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

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高能激光輻照條件下構(gòu)件溫度場(chǎng)模擬研究

馮俊森1,2，李和章1,2，馬壯1,2

(1.北京理工大學(xué) 材料學(xué)院，北京 100081；2.沖擊環(huán)境材料技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

采用有限元分析對(duì)一定功率激光輻照下不同結(jié)構(gòu)的涂層溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，探索在一定功率密度下涂層結(jié)構(gòu)中不同鋁和氧化鋯組分比例對(duì)溫度場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，當(dāng)金屬基體上采用反射+散熱+隔熱的涂層結(jié)構(gòu)時(shí)，在反射率一定的情況下，隨著熱疏導(dǎo)涂層的增厚，陶瓷隔熱層隨之減薄，隔熱效應(yīng)變?nèi)?，能量大量向基體傳導(dǎo)，導(dǎo)致基體升溫。當(dāng)熱疏導(dǎo)涂層和陶瓷隔熱層的厚度比例為1∶3時(shí)，可達(dá)到最佳的隔熱效果。

涂層；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；溫度場(chǎng)

高能激光武器是一種采用激光作為能量直接毀傷目標(biāo)的定向能武器，它以激光器為核心，并配合了跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、光束控制和發(fā)射系統(tǒng)[1]。激光武器的發(fā)展使得導(dǎo)彈、飛機(jī)和衛(wèi)星都受到威脅。一般的飛行器都采用金屬殼體材料，強(qiáng)激光只要在其表面某固定部位輻照較短時(shí)間，就易使其燒蝕熔融、汽化，并使內(nèi)部的燃料燃燒爆炸[2-3]。為了提高導(dǎo)彈等飛行器的生存能力，針對(duì)其殼體材料進(jìn)行相應(yīng)的熱防護(hù)變得十分必要[4]。熱防護(hù)的基本目的在于當(dāng)金屬基體受到熱源作用時(shí)，盡可能降低基體的溫度，從而減輕基體的熱損傷程度，使得金屬構(gòu)件的使用安全系數(shù)大幅提高。本文采用圓柱形試樣進(jìn)行激光加載下構(gòu)件溫度場(chǎng)分析，試樣尺寸為半徑100 mm，厚度5 mm。

1　理論模型和計(jì)算方法

由于圓柱形試樣和激光載荷均對(duì)中心軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，所以可以將涂層的模型簡(jiǎn)化為二維平面問(wèn)題。取柱形沿軸線截面的一半(即5 mm×100 mm長(zhǎng)方形)為基體的模型來(lái)進(jìn)行研究，其幾何模型如圖1所示。在激光與材料作用的過(guò)程中，主要通過(guò)熱破壞使材料出現(xiàn)損傷或失效，因此，本文主要考慮材料在激光輻照下的升溫過(guò)程。

圖1　涂層的幾何模型

激光載荷以表面熱流形式加載，能量強(qiáng)度成高斯分布，作用試樣涂層表面的中心點(diǎn)[5-6]。表面熱流q(x)為：

式中，x是距離激光輻照斑圓心點(diǎn)的距離；r是激光半徑；P是激光功率(本文中激光半徑為50 mm)；R是涂層表面的反射系數(shù)，本文中反射系數(shù)均采用實(shí)測(cè)值。輻照熱源也具有軸對(duì)稱性，可以簡(jiǎn)化為如圖2所示的幾何模型。

圖2　激光輻照幾何模型示意圖

使用有限元(FEM，ANSYS 12.0)對(duì)不同結(jié)構(gòu)的涂層進(jìn)行計(jì)算分析。熱分析選用平面二維四節(jié)點(diǎn)熱單元Plane55，采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分方式，劃分出的每一個(gè)單元代表一個(gè)實(shí)心的圓環(huán)，而非平面。所有節(jié)點(diǎn)載荷都作用在單元節(jié)點(diǎn)所在的圓周上。

根據(jù)已知的反射率較高的金屬隨波長(zhǎng)變化的反射率曲線圖(見(jiàn)圖3)可知，在常用的金、銅、鋁和銀等金屬中，金和銅的反射率隨波長(zhǎng)變化較大，金成本較高，不宜用于制備涂層，而鋁和銀反射率相對(duì)穩(wěn)定，而且銀的反射率隨波長(zhǎng)升高呈上升趨勢(shì)，并且反射率始終>90%。對(duì)于高能激光輻照，需將銀涂層這樣的高反射率涂層用做表層，將大量的入射能量反射出去。在銀涂層與基體之間加入其他功能涂層，可以保護(hù)基體。

圖3　金屬反射率隨波長(zhǎng)的變化曲線

考慮到工藝實(shí)施可能造成的影響，在有限元分析過(guò)程中，按反射率為85%進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中用到的熱物理性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　計(jì)算中用到的熱物理性能參數(shù)

將銀置于表面層用于反射大量的激光能量，其下為鋁熱疏導(dǎo)涂層，用于疏導(dǎo)吸收的熱量，然后是氧化鋯隔熱層，在三者配合下保護(hù)基體?？紤]到涂層結(jié)合力問(wèn)題，在直徑為100 mm、厚度為5 mm的鋁合金基體上，涂層厚度應(yīng)不大于基體的厚度，本文設(shè)定涂層厚度為2 mm。在這樣的條件下，鋁和氧化鋯各自的厚度將直接影響到材料熱量疏導(dǎo)和隔熱的效果。在基體與涂層厚度均不變的情況下，按照變量法設(shè)定厚度比，具體見(jiàn)表2。

表2　涂層中鋁和氧化鋯厚度(體積比)

2　結(jié)果與討論

在光斑直徑為100 mm，加載時(shí)間為5 s，入射激光功率為1 000 W/cm2的條件下，對(duì)上述配比的涂層進(jìn)行模擬試驗(yàn)。按照上述不同組分比例建立涂層及基體結(jié)構(gòu)模型，得到的涂層與基體溫度場(chǎng)分布圖如圖4～圖8所示。

圖4　涂層為0 mm鋁，2 mm氧化鋯時(shí)的溫度場(chǎng)分布圖

圖5　涂層為0.5 mm鋁，1.5 mm氧化鋯時(shí)的溫度場(chǎng)分布圖

圖6　涂層為1 mm鋁，1 mm氧化鋯時(shí)的溫度場(chǎng)分布圖

圖7　涂層為1.5 mm鋁，0.5 mm氧化鋯時(shí)的溫度場(chǎng)分布圖

圖8　涂層為2 mm鋁，0 mm氧化鋯時(shí)的溫度場(chǎng)分布圖

由圖4可以看出，在鋁涂層厚度為0，也就是未加入鋁涂層，只有2 mm厚度的氧化鋯隔熱涂層時(shí)，涂層表面最高溫度達(dá)到1 276 ℃，整個(gè)試樣的光斑中心區(qū)域溫度極高，并且能量絕大多數(shù)集中在光斑中心靠近表層的區(qū)域，基體表面溫度達(dá)到300 ℃，已非常接近鋁基體的軟化點(diǎn)(330 ℃)，使得基體安全系數(shù)降低。這是因?yàn)檠趸啛釋?dǎo)率很低，熱量不能被疏導(dǎo)到涂層區(qū)域，而其隔熱效果較好，向下傳導(dǎo)的能量很少，其結(jié)果使得基體與涂層接觸的表面區(qū)域溫度很高。

由圖5可以看出，在加入0.5 mm的鋁涂層后，涂層表面溫度從1 276 ℃下降到1 144 ℃，基體表面溫度從300 ℃下降到201 ℃?；w溫度下降幅度很大，這是由于增加了鋁涂層后，使得入射的能量得以在涂層內(nèi)部橫向疏導(dǎo)，而氧化鋯層厚度為1.5 mm，其隔熱作用依然十分明顯，向下傳導(dǎo)的能量很少，因此，基體的溫度比沒(méi)有鋁涂層降低了100 ℃。

由圖6可以看出，在鋁涂層厚度為1 mm，氧化鋯涂層厚度也為1 mm時(shí)，涂層表面最高溫度顯著下降。這說(shuō)明由于鋁涂層增厚，氧化鋯涂層減薄，涂層沒(méi)有承擔(dān)較多的能量，而是將能量傳導(dǎo)給了基體，使基體吸收能量增多，從而使溫度升高較多。

由圖7可以看出，整個(gè)試樣大部分區(qū)域溫度均>100 ℃，甚至光斑中心位置基體底部區(qū)域溫度也達(dá)到了200 ℃以上。盡管涂層表面溫度有效降低，且降低幅度較大，然而由于鋁涂層的顯著增厚，氧化鋯隔熱涂層減薄至0.5 mm，使得隔熱效果極其不明顯，大量的熱量傳導(dǎo)到了基體，基體溫度普遍升高。

由圖8可以看出，當(dāng)涂層全部為鋁時(shí)，由于鋁的熱導(dǎo)率均高達(dá)200 W/(m·K)，熱量在整個(gè)試樣中得到均勻沉積，能量傳導(dǎo)迅速，在短短5 s時(shí)間內(nèi)，基體大部分溫度達(dá)到軟化點(diǎn)附近，基體失效風(fēng)險(xiǎn)增大。

將不同鋁涂層厚度下的涂層表面最高溫度和基體最高溫度值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖9所示。

圖9　　　　不同鋁涂層厚度下涂層表面最高溫度與　　　基體表面最高溫度分布圖

觀察圖9可知，當(dāng)鋁涂層厚度為0，即涂層完全為氧化鋯層時(shí)，盡管涂層隔熱效應(yīng)很強(qiáng)，然而完全隔熱使得大量能量沉積在試樣的中心上表面，因此，涂層表面中心甚至離涂層表面近的基體表面中心溫度均相對(duì)較高；隨著鋁涂層的增厚，氧化鋯層的減薄，涂層表面中心溫度總趨勢(shì)降低，基體表面中心溫度總趨勢(shì)升高，這是由于隔熱能力減弱，熱傳導(dǎo)能力增強(qiáng)的緣故；當(dāng)鋁涂層從0增厚到0.5 mm時(shí)，涂層表面溫度降低，而基體表面溫度也有所下降，這說(shuō)明在25%鋁涂層的比例下，盡管氧化鋯層減薄，隔熱能力有所降低，但是鋁涂層在表面對(duì)熱量進(jìn)行橫向熱疏導(dǎo)以及熱沉，使得大量能量得以在涂層內(nèi)部均勻沉積下來(lái)，也就是說(shuō)吸收熱量的涂層體積更大；當(dāng)鋁涂層持續(xù)增厚，氧化鋯層持續(xù)減薄，涂層隔熱作用的減弱程度強(qiáng)于鋁涂層橫向疏導(dǎo)熱量的能力，盡管涂層表面溫度有所降低，然而基體溫度依然因?yàn)橥繉痈魺嶙饔玫臏p弱和熱量的向下傳導(dǎo)而逐漸升高。

基體溫度是考核涂層質(zhì)量的重要指標(biāo)，對(duì)于以熱作用為主的激光輻照，首先應(yīng)考慮基體熔化失效。對(duì)于鋁基體而言，其軟化點(diǎn)約為熔點(diǎn)的1/2。

3　結(jié)語(yǔ)

在金屬基體上采用反射+散熱+隔熱的涂層結(jié)構(gòu)時(shí)，反射率一定的情況下，隨著熱疏導(dǎo)涂層的進(jìn)一步增厚，陶瓷隔熱層隨之減薄，隔熱效應(yīng)變?nèi)酰芰看罅肯蚧w傳導(dǎo)，導(dǎo)致基體升溫。當(dāng)熱疏導(dǎo)涂層和陶瓷隔熱層的厚度比例為1∶3時(shí)，可達(dá)到最佳的隔熱效果。

[1] 陳婭冰，趙尚弘，朱婧，等. 激光武器新技術(shù)及應(yīng)用 [J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展， 2003，40(4): 18-20.

[2] 任國(guó)光. 高能激光武器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) [J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2008，45(9): 62-69.

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[4] 張江華. 激光在現(xiàn)代軍事中的應(yīng)用 [J]. 中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2008(20):70.

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責(zé)任編輯馬彤

The Research on Temperature Field Simulation of the Component under High Energy Laser Irradiation

FENG Junsen1,2， LI Hezhang1,2， MA Zhuang1,2

(1.School of Materials Science and Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China； 2.National Key Laboratory of Science and Technology on Materials under Shock and Impact， Beijing 100081， China)

Use the finite element analysis to calculate with the different structure coating temperature field under a certain power laser irradiation. Explore the effect of the temperature field in the coating structure with different Al and YSZ fractions under a certain power density. The results show that when using reflection + cooling + heat insulation coating structure on the base metal, with a certain reflectivity and coating of heat dispersion further thickening, due to the ceramic insulation layer along with thinning, the thermal insulation effect is weaker, and a lot of energy conducts to the substrate leading the substrate temperature increaseing. When the thickness ratio of the thermal conduction coating and the ceramic heat insulation layer is 1∶3, the optimum heat insulation effect can be achieved.

coating， structure design， temperature field

TG 148

A

馮俊森(1990-)，男，碩士研究生，主要從事涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的研究。

2016-01-08