序列脉冲激光实验

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1、300W序列脉冲激光致TC4钛合金毁伤实验1实验装置通过高重频序列脉冲激光对TC4钛合金进行毁伤实验，实验装置如图1所示。激光通过焦距为250mm的透镜聚焦于二维平移台上的靶材前表而。通过分光片和功率计实时记录入射激光功率。同时使川高速红外测温仪探测激光作川过程中靶材前表面毁伤区中心点温度演变，测温仪探头前放置滤波片用以防止作用激光对测温仪的干扰。此外光电二极管外接示波器用來记录激光实际辐照时间。激光毁伤结束后，利用光7显微镜观察并记录靶材表面毁伤形貌。图1.实验装置图2实验结果序列脉冲激光频率在100kHz到150kH

2、z之间可调，实验在固定频率140kHzF进行，调整靶材前表面与透镜距离为325mm,最终到达靶面的激光光斑直径为2mm0实验所用TC4钛合金尺寸为<2mmo通过改变激光功率及作用吋间，得到靶材表面不同毁伤效果。图2.激光功率为170W时，作用不同时间钛合金毁伤形貌图2为调整激光平均功率为170W（此时平均功率密度为5.41W/cm2）,作用时间分别为0.1s、0.3s、1.0s、2.5s情况下，钛合金靶表而的毁伤形貌。如图所示，随着激光作用吋间的增加，可将作用过程分为四个阶段：I升温阶段，此时靶材表而因温度

3、升高1佃发生氧化，氧化区域由于氧化层不同厚度而呈现出不同颜色，因激光空间分布为高斯型，氧化区域呈圆形;I【熔融阶段，随着作用时间继续增加，激光辐照中心区域温度达到熔点，靶材熔融，随着熔融区域不断扩大，形成熔池，激光作川结束后熔融物冷却重铸；III气化阶段，靶材中心继续升温至气化温度，白色高温蒸气上升冷却附着于靶材表面上方区域，同时激光作用中心点出现凹坑；IV穿孔阶段，随着气化程度的加剧，金属气体的蒸发引起的反冲压力超过熔融层表面张力的约束，金属液体由中间向两侧被排挤开来，表面凹坑逐渐加深形成小孔甚至穿孔。最终形成的钛合金

4、靶材表而毁伤对明显分为三个区域：热影响区，此时主要发生氧化反应;熔融区，为激光结束后的熔融物冷却重铸部分；孔洞区，主要由气化反冲压力造成。此三个区域分别对应图2第IV阶段的A、B、C区域，如图中用红色虚线圆圈标注区域。由图可见，相同功率下，随着激光作用时间的增加，由于热量以热传导的方式不断由高温区扩散到邻近低温区，热影响A区域不断扩大。图3.不同功率激光分别作用Is后钛合金毁伤形貌图3为平均功率分别为40W、105W、200W、260W的激光，作用于钛合金表面相同时间Is后，靶材表面毁伤形貌。随着激光功率的增加，作用于靶

5、材表面的能最逐渐增人，靶材表而的热影响区、熔融区及气化程度也逐渐增大。图4为作用时间同样为Is情况下，靶材表而热影响区大小随激光作用功率变化图。为使结呆无量纲化，纵朋标采用作用结束后靶材表而热影响区直径与激光光斑直径比值，实验中激光光斑直径为2mmo如图所示，热影响区变化趋势是随激光功率的增加而变大的。当激光功率较小时，热影响区范围甚至小于激光光斑覆盖区域，这是因为激光空间分布为高斯型，中心区域能最高而边缘能量低，且光斑边缘能量很快扩散到周围基底材料小，不足以使对应区域靶材形成较高温升，此时边缘氧化反应也不明显，如图3中

6、40W毁伤效果所示。在靶材表面中心发生气化Z前，表面热影响区域随激光功率增加变化佼明显，而当功率较高时，表面热影响区大小变化趋于平缓，这是由于当表面发生气化后，一方面材料气化需要吸收大量能量，同时蒸发也会带走一部分能量,当表血形成小孔后，随着孔深增加，激光入射到小孔内部而不是表面，此时能最主要沿深度方向及在靶材内部扩散，凶此表面热影响区域变化趋于平缓。050100150200250300功率(W)图4.不同功率激光分别作用Is后钛合金表而热影响区大小比较此外，结合红外测温仪测得的温度曲线，对图3中四种不同功率激光作用Is

7、过程中靶材表面中心点温升情况进行比较，结果如表5所示。由图对知，随着激光功率的增大，中心点温升速率也不断增加。当功率为40W时，温升较小，尚未达到熔点，此时靶材表面只会发生氧化反应；功率为105W时，靶材屮心已达到熔点，但不足于气化，而这与图3屮观察到的损伤形貌一致。而当功率达到200W或更高时，靶材表面小心迅速达到气化温度，而随着气化蒸发的持续进行，探测点温度会维持在一个定值。而此时靶材表面发射率变化较复杂,由于测试过程中红外测温仪发射率只能设定为一个固定值(实验中设为0.5),此时红外测温仪所显示温度在数值上已不能准

8、确反映靶材中心点温升。40W2500-105W200W260WP)鏗瑁图5.不同功率激光分别作用Is过程中钛合金前表面中心点温升曲线3高重频序列脉冲激光与连续激光毁伤效果比较针对相同平均功率密度下重频脉冲激光与连续激光的毁伤效果的比较进行实验。设定激光功率为170W,光斑直径为2mm,两种激光分别作用2.5s后TC4