激光冲击对铜薄膜结合强度的影响及残余应力场的数值模拟

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3、制造领域中具有重要的应用潜力。本文对单晶Si基体上沉积的金属Cu薄膜进行激光冲击，测试了激光冲击前后Cu薄膜与基体的结合强度，用数值分析的方法研究了激光冲击诱导的残余应力场。利用直流磁控溅射技术，改变溅射功率、工作气压、基片温度等工艺参数以及基片材料，制备了铜薄膜。借助扫描电镜表征了薄膜的表面形貌以及划痕试验测试了薄膜的结合强度。在基片不加热，其他条件相同的情况下，薄膜的结合强度随溅射功率的增加先增大后减小，在功率80"--'100W左右达到最大。溅射气压对结合强度影响也是先增大后减小，气压小薄膜的沉积速度低，容易导致较差的膜层；随着气压的增大，结合强度在1．5

4、Pa下达到最大，之后气压继续增大结合强度减小。与溅射功率和气压相比，相同的溅射参数下，溅射时间对薄膜结合强度的影响相对较小。对比两种基片表面的划痕，玻璃表面薄膜的划痕非常规整，边缘处的开裂及剥落现象很少，可以断定Cu薄膜在玻璃表面的结合强度高于在硅表面。加入Ti中间层后结合强度提高了17．8％。与室温下制备的试样相比，基片加热到150。C后，薄膜的晶粒尺寸均匀，缺陷减少，承载能力提高，结合强度提高到26．9N。根据应力波的相关理论分析了冲击波在层状介质界面的传播，界面拉应力来源子反射卸载和入射卸载的相互叠加，且并非冲击波单次反射的拉伸波与入射波叠加，而是应力波在

5、界面和自由表面间来回反射后的综合结果。在现有的激光冲击装置上对Cu薄膜进行了激光冲击处理，利用PVDF压电计获取了冲击波波形并计算了峰值压力，最后对冲击处理后的试样进行了结合强度测试。选用了之前制备的两种不同结合强度的薄膜试样进行激光冲击，室温下制备的薄膜表面质量较差，结合强度仅为14．8N，激光冲击处理后，表面出现了细小的点状剥落。而经一系列参数优化后的薄膜，相同条件处理后，表面变得光滑致密，粗糙度减小，晶粒之间及边界处原有的空隙孔洞等缺陷减少了，表面完整，没有出现上述剥落的现象，但结合强度测试结果表明：随着激光功率密度、冲击次数以及搭接率的激光冲击对铜薄膜结

6、合强度的影响及残余应力场的数值模拟提高，每个薄膜试样结合强度都有不同程度的下降。以ANSYS／LS．DYNA为平台，建立了有限元分析模型，探讨了不同激光功率密度、脉冲宽度及冲击次数对残余应力场的影响。模拟结果表明：激光冲击后薄膜内的残余应力主要为压应力，最大残余应力出现在最表层，沿厚度方向残余压应力减小并逐渐过渡到基体内的拉应力。激光功率密度以及冲击次数的增加，最大残余应力和残余应力层深度相应增加，激光功率密度达到一定阈值以及冲击次数提高后，最大残余应力的增幅下降。由于表面波向光斑中心汇聚，造成了此处残余应力降低，光斑中心应力减小区域的分布范围随功率密度的提高而

7、变大。随着激光脉宽的增加，轴向和径向的最大残余应力都增大，模拟的激光脉宽为5ns时，整个光斑范围内的应力值较为一致。关键诃：激光冲击强化，铜薄膜，磁控溅射，结合强度，数值模拟Ⅱ江苏大学硕士学位论文ABSTRACTLasershockprocessingusemechanicaleffectofhighdensitylaserinteractwithabsorbinglayertogeneratehighpressureshockwaveonmaterialsurfaceandimproveitsmechanicalproperty．Soithasgreatpot

8、entialinmode