單晶鐵金屬表面污染物的激光燒蝕機理?

白清順 張凱 沈榮琦 張飛虎 苗心向 袁曉東

1)(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,哈爾濱 150000)

2)(中國工程物理研究院激光聚變研究中心,綿陽 621900)

(2018年5月23日收到;2018年8月24日收到修改稿)

1 引 言

隨著高功率激光裝置的不斷發(fā)展[1?3],對裝置元器件負載能力的要求不斷提高,目前元器件的污染問題已經(jīng)成為制約激光慣性約束核聚變發(fā)展的瓶頸問題之一.高功率激光裝置內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)件與光學(xué)元件是密不可分的,激光作用下機械結(jié)構(gòu)件表面的污染物將擴散到光學(xué)元件表面,在激光的作用下引起光學(xué)元件的損傷[4,5],進而影響裝置的整體性能.高功率激光裝置的特殊環(huán)境要求某些金屬構(gòu)件或光學(xué)元件達到超潔凈要求,并且具備超潔凈制造的能力[6,7].對高功率激光裝置內(nèi)部污染物的成分分析表明:污染物通常包含有機污染物、無機污染物和金屬顆粒污染物.蘭州空間物理研究所通過實驗方法對機械結(jié)構(gòu)件表面有機污染物的成分進行分析,研究結(jié)果表明有機污染物以烷烴為主[8].Raman等[9]和Bude等[10]的研究表明不同類型的顆粒污染物將對光學(xué)元件表面造成不同的損傷形貌.Manenkov[11]對激光作用下污染物誘導(dǎo)光學(xué)材料的損傷機理進行了研究,研究表明污染物熱量的非線性增長將導(dǎo)致污染物附近的光學(xué)材料產(chǎn)生光化電離現(xiàn)象.在聚變裝置激光直接驅(qū)動加載準(zhǔn)等熵壓縮的研究中,結(jié)果表明:超高壓同時保持低溫狀態(tài)對激光加載金屬靶產(chǎn)生影響[12].此外還有一些學(xué)者對光學(xué)材料表面的氫氟酸刻蝕等處理工藝進行研究,旨在提高光學(xué)元件表面潔凈度,提高光學(xué)材料的激光損傷閾值[13?15].目前的研究主要集中在抑制光學(xué)材料表面吸附污染物對光學(xué)材料的損傷方面[16?18],而高功率激光裝置內(nèi)部的金屬顆粒污染物和有機污染物大多來源于機械構(gòu)件.因此有必要對激光作用下機械構(gòu)件表面污染物的擴散情況進行研究,從污染物的來源上對其分析.采用精密超精密加工工藝獲得的機械構(gòu)件引入的金屬顆粒污染物多來自于切屑,或者是激光作用下微觀損傷所形成的金屬微屑[19].同時,精密運動機構(gòu)內(nèi)部的微量油脂是其有機污染物的主要來源.因此,本文采用十二烷分子和切屑分別模擬金屬構(gòu)件表面的有機污染物和金屬顆粒污染物.

2 仿真模型與參數(shù)設(shè)置

在建立仿真模型的過程中,本文分別采用切屑和十二烷作為單晶鐵表面吸附的金屬顆粒污染物和有機污染物.單晶鐵基體材料的尺寸為120 ?×120 ?×140 ?,金屬顆粒污染物切屑為直徑40 ?的球體,有機污染物十二烷分子的數(shù)量為100個.取單晶鐵的(1 0 0)晶面平行于xoy平面,在x和y方向施加周期性邊界條件,污染物沿z軸的負方向吸附到鐵表面上.選擇嵌入原子法(embedded atom method,EAM)勢函數(shù)描述鐵原子之間的相互作用,并采用L-J勢描述十二烷分子與鐵原子之間的相互作用[20],截斷半徑為10 ?.表1所列為仿真采用的參數(shù).結(jié)合Lorentz-Berthelot法則,可以得到不同原子之間的相互作用力,具體表現(xiàn)形式如(1)式所示[21].選取污染物吸附到單晶鐵表面的穩(wěn)態(tài)構(gòu)型作為激光燒蝕污染金屬的初始模型.顆粒污染物和十二烷污染物吸附的初始構(gòu)型和穩(wěn)態(tài)構(gòu)型分別如圖1和圖2所示.顆粒污染物和十二烷污染物吸附的初始構(gòu)型皆為球形,穩(wěn)態(tài)吸附后二者表現(xiàn)不同的形式.其中,顆粒污染物吸附后表現(xiàn)為橢球型,而十二烷污染物則鋪展在單晶鐵表面.

式中εi和εj分別表示同類原子i和j相互作用時的勢阱深度,反應(yīng)兩個原子間相互吸引作用的強弱;εij表示不同類原子i和j相互作用時的勢阱深度;σi和σj分別表示同類原子i和j作用勢等于零時原子間的距離;σij表示不同類原子i和j作用勢等于零時原子間的距離.

表1 模型的L-J勢函數(shù)參數(shù)Table 1 .L-J potential function parameters of the model.

圖1 顆粒污染物在單晶鐵表面吸附的初始構(gòu)型和穩(wěn)態(tài)構(gòu)型(a)初始構(gòu)型;(b)穩(wěn)態(tài)構(gòu)型Fig.1 .Initial and steady-state conf i gurations of particulate contaminants adsorbed on single crystal iron surface:(a)Initial conf i guration;(b)steady state conf i guration.

圖2 十二烷污染物在單晶鐵表面吸附的初始構(gòu)型和穩(wěn)態(tài)構(gòu)型(a)初始構(gòu)型;(b)穩(wěn)態(tài)構(gòu)型Fig.2 .Initial and steady-state conf i gurations of dodecane pollutants adsorption on single crystal iron surface:(a)Initial conf i guration;(b)steady-state conf i guration.

分別采用功率密度為0.0159和0.1014 J/cm2的激光沿z軸負方向輻照表面吸附切屑和十二烷分子的單晶鐵,脈寬為1 ps.模型的初始溫度滿足300 K下的高斯分布,激光加載前系統(tǒng)進行平衡態(tài)模擬,在宏觀正則系綜(NVT)下進行.當(dāng)激光輻照后,整個模擬過程在微正則系綜(NVE)下進行.由于激光與金屬材料之間的相互作用是十分復(fù)雜的能量傳遞過程,材料的反射率、吸收率等參數(shù)對燒蝕過程具有重要的影響.激光的波長遠大于原子尺度,其對燒蝕也將產(chǎn)生影響.為了重點分析給定激光能量密度下激光作用于污染物原子之后對基體的損傷情況,因此本文采用簡化模型進行描述.模型忽略材料對激光反射率的作用,簡化了激光波長的作用,認(rèn)為激光持續(xù)作用到污染物材料微觀區(qū)域上,激光輻照的能量全部被污染物原子吸收.污染物原子吸收的能量沿z軸負方向呈指數(shù)衰減,吸收能量后的污染物原子將能量傳遞給單晶鐵進行燒蝕.模擬系統(tǒng)中激光沿z軸負方向輻照,距離激光輻照表面z長度處粒子吸收的激光能量可以通過(2)式進行計算[22],

式中I0表示入射激光的初始光強,z為激光輻照表面的距離.激光作用表面吸附污染物單晶鐵基體的初始模型如圖3所示.其中圖3(a)為單晶鐵表面吸附切屑污染物的初始模型,圖3(b)為單晶鐵表面吸附十二烷污染物的初始模型.

圖3 激光作用表面吸附污染物的單晶鐵基體初始模型(a)單晶鐵表面吸附切屑污染物;(b)單晶鐵表面吸附十二烷污染物Fig.3 .Initial model of single crystal iron absorbed pollutants by laser irradiation on surface:(a)Adsorption of chip contaminants on surface of single crystal iron;(b)adsorption of dodecane pollutants on single crystal iron.

3 結(jié)果與討論

3.1 燒蝕現(xiàn)象分析

根據(jù)污染物的屬性不同,分別研究了激光燒蝕表面吸附有切屑和十二烷分子單晶鐵基體的變化過程,分析了污染物對單晶鐵的影響情況.研究表明:污染物對激光燒蝕單晶鐵具有重要的影響.當(dāng)激光作用在無污染物的單晶鐵表面時,光能首先沉積在金屬自由電子中,隨后金屬電子吸收的能量開始在內(nèi)部弛豫,最后通過電子-聲子耦合相互作用將動能或熱能傳遞給晶格.能量逐漸傳遞到單晶鐵材料的各個部分,吸收較多能量的材料將被燒蝕.

而當(dāng)單晶鐵表面吸附污染物時,根據(jù)本文簡化模型的仿真結(jié)果,認(rèn)為激光能量全部被污染物吸收.此時,激光能量超過污染物的原子間作用力,破壞了污染物原本的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu).獲得較高能量的污染物原子濺射到單晶鐵表面,并以動能或熱能的形式傳遞能量,對單晶鐵材料進行燒蝕.當(dāng)單晶鐵表面吸附污染物時,單晶鐵材料發(fā)生燒蝕時的激光能量密度明顯降低.由此可以證明污染物的存在將加劇單晶鐵材料的損傷.

1)激光燒蝕表面吸附切屑的單晶鐵

采用單晶鐵表面吸附切屑污染物的仿真模型,進行了5 ps的平衡態(tài)模擬和295 ps激光-切屑-單晶鐵相互作用過程的模擬.燒蝕過程中的瞬間原子位圖及相應(yīng)時刻的系統(tǒng)動能如圖4(a)所示.初始時刻切屑吸附在鐵材料表面,鐵材料和切屑原子規(guī)則排列.加載激光后切屑原子吸收能量產(chǎn)生相變,克服金屬原子之間的相互作用力以較快的速度向外濺射.當(dāng)溫度較高的原子運動到鐵表面時,通過熱量的傳遞導(dǎo)致材料燒蝕,單晶鐵表面原子吸收能量脫離基體產(chǎn)生相變,此時能量傳遞以熱傳導(dǎo)為主.隨著時間的推移,具有較高能量的原子部分遠離單晶鐵基底表面,部分被重新吸附到鐵材料表面,單晶鐵基體開始趨衡,能量較高的原子逐漸將能量向下傳遞,系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài).

圖4 激光燒蝕過程中的瞬間原子位圖和系統(tǒng)動能圖 (a)單晶鐵表面吸附切屑;(b)單晶鐵表面吸附十二烷Fig.4 .Transient atomic position and system kinetic energy during laser ablation:(a)Adsorption of chip on surface of single crystal iron;(b)adsorption of dodecane on single crystal iron.

2)激光燒蝕表面吸附有機物的單晶鐵

利用單晶鐵表面吸附十二烷污染物的原始模型,進行了0.5 ps的平衡態(tài)模擬和50 ps激光-十二烷分子-單晶鐵相互作用過程的模擬.燒蝕過程中的瞬間原子位圖及相應(yīng)時刻的系統(tǒng)動能如圖4(b)所示.可以看出,初始時刻有機物分子在單晶鐵表面分層排列,加載激光后有機物分子吸收能量超過單晶鐵對有機物分子的吸附力,位于表面的有機物分子率先脫離基底表面,位于內(nèi)部的有機物分子與單晶鐵表面原子產(chǎn)生劇烈碰撞而傳遞能量,最終導(dǎo)致材料的燒蝕.當(dāng)有機物分子全部脫離單晶鐵表面時,單晶鐵基底開始趨向平衡狀態(tài),能量分布逐漸均勻,恢復(fù)規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu).

3.2 燒蝕區(qū)和熔化區(qū)分析

在強激光作用下,污染物吸收能量與單晶鐵表面原子劇烈碰撞導(dǎo)致材料表面的燒蝕.根據(jù)單晶鐵基體原子結(jié)構(gòu)分布情況將其分成燒蝕區(qū)、熔化區(qū)和晶體區(qū).燒蝕區(qū)原子規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞,粒子由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài).熔化區(qū)原子的初始結(jié)構(gòu)破壞程度較低,原子處于熔融態(tài).晶體區(qū)原子吸收較少能量動能增大,但仍保持原有的晶體結(jié)構(gòu).為了進一步分析激光對基底材料造成的損傷影響,采用溫度和質(zhì)量密度作為判斷材料被燒蝕和熔化的依據(jù),進一步確定材料的燒蝕深度和熔化深度.

在模擬過程中,將基底原子沿模擬區(qū)域z軸方向,將基底劃分出25個12 nm×12 nm×0.286 nm的區(qū)域,其中12 nm為模擬材料沿x方向和y方向的長度,0.286 nm為材料的晶格常數(shù).分別考察表面吸附切屑和有機物時基底材料燒蝕過程中各區(qū)域的溫度和質(zhì)量密度的變化情況.圖5(a)和圖5(b)分別表示單晶鐵表面吸附切屑和有機物時各區(qū)域溫度變化情況.

對比圖5中材料各區(qū)域溫度變化情況可以發(fā)現(xiàn),由于材料燒蝕區(qū)和熔化區(qū)原子受激光影響,吸收激光能量后溫度首先上升.激光加載結(jié)束一段時間后,基底材料溫度開始趨衡,基底上層溫度較高的原子通過碰撞將能量傳遞給基底下方的原子,基底材料各部分溫度逐漸保持一致,燒蝕區(qū)和熔化區(qū)的溫度逐漸下降至穩(wěn)態(tài)溫度.材料燒蝕區(qū)原子溫度急劇升高,達到單晶鐵的沸點,所包含的原子被氣化,這是由于燒蝕區(qū)的原子位于金屬材料表面,吸收較多能量.材料熔化區(qū)溫度升高超過材料的熔點,材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴趹B(tài),由于熔化區(qū)原子位于燒蝕區(qū)原子下方,激光能量大部分被燒蝕區(qū)原子吸收,因此熔化區(qū)原子溫度變化幅度較小.由于激光能量被單晶鐵上方原子吸收,因此晶體區(qū)原子基本不受激光影響.隨著基底材料的能量趨衡過程,晶體區(qū)溫度逐漸上升至平衡溫度后保持不變.對比表面吸附不同污染物的各區(qū)域溫度變化情況可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)表面吸附有機污染物時各區(qū)域溫度均有突變現(xiàn)象.這是由于單個有機物分子能量較大,當(dāng)加載激光后有機物分子脫離基底表面隨機運動,當(dāng)有機物分子再次與基底材料表面碰撞時,導(dǎo)致基底材料各區(qū)域溫度產(chǎn)生較大的變化.

圖5 激光燒蝕過程中的各區(qū)域溫度變化 (a)單晶鐵表面吸附切屑;(b)單晶鐵表面吸附十二烷Fig.5 .Temperature changes in various regions during laser ablation:(a)Adsorption of chip on surface of single crystal iron;(b)adsorption of dodecane on single crystal iron.

質(zhì)量密度是描述基底材料燒蝕深度和熔化深度的主要依據(jù).當(dāng)該激光作用區(qū)域材料被燒蝕或熔化時,由于材料相態(tài)的轉(zhuǎn)變會導(dǎo)致該區(qū)域質(zhì)量密度發(fā)生變化.圖6所示為不同時刻基底材料各區(qū)域的密度分布情況.由圖6可知,初始時刻基底材料保持較規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu),各區(qū)域的密度均為7930 kg/m3,與鐵的宏觀密度一致.當(dāng)加載激光后,基底材料由于溫度的改變開始發(fā)生相變,各區(qū)域的密度隨著材料的相變而發(fā)生變化.8 ps時刻基底材料表層密度下降較多,加載激光后表面原子氣化對材料內(nèi)部施加反沖作用,導(dǎo)致材料內(nèi)部密度略有上升.隨著時間的推移,基底材料不斷吸收激光能量,16 ps時刻位于基底上方的區(qū)域密度進一步下降.同一時刻越靠近材料表面材料燒蝕現(xiàn)象越嚴(yán)重,材料密度越小,綜合各區(qū)域的密度變化情況及溫度變化情況即可確定材料的燒蝕深度和融化深度.激光加載結(jié)束一段時間后基底材料開始趨向平衡狀態(tài),25 ps時刻位于基底材料上方的區(qū)域密度略有增加,80 ps時刻除材料表層外其他區(qū)域密度已基本達到穩(wěn)定狀態(tài),基底材料各區(qū)域密度逐漸趨于一致,200 ps時刻基底材料各區(qū)域密度保持為7850 kg/m3.系統(tǒng)穩(wěn)定后基底材料的密度略低于初始時刻的密度,這是由于基底材料在激光加載結(jié)束后整體溫度有所提高,導(dǎo)致密度略有下降.

圖6 不同時刻基底材料各區(qū)域的密度分布情況Fig.6 .Density variations in regions of substrate material at various times.

為了進一步觀察基底材料燒蝕區(qū)、熔化區(qū)和晶體區(qū)的密度,分別記錄3個區(qū)域密度隨時間的變化情況.激光加載后一段時間內(nèi),由于燒蝕區(qū)內(nèi)的粒子吸收較高能量,不斷有粒子被氣化,因此密度不斷下降.隨后部分被氣化的原子及切屑原子被重新吸附到單晶鐵表面,燒蝕區(qū)的密度開始逐漸升高.熔化區(qū)原子初始時刻由于原子相態(tài)的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致密度下降,隨著溫度的下降,熔融態(tài)原子重新恢復(fù)規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu),密度恢復(fù)至單晶鐵的固態(tài)密度.激光加載后單晶鐵基體溫度整體升高,因此材料晶體區(qū)的密度略有下降,如圖7所示.對比兩種情況可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)單晶鐵表面吸附有機物時,初始時刻單晶鐵各區(qū)域的密度均有較明顯的升高,這是由于初始時刻有機物分子在單晶鐵表面的分層排列引起的.由于有機物分子的分層排列,初始時刻與單晶鐵表面緊鄰的有機物分子無法突破上方的油層,與鐵表面原子劇烈碰撞并進一步限制了鐵基體表面原子的飛濺,因此初始時刻后鐵基底各區(qū)域密度均表現(xiàn)為略有上升.

圖7 激光燒蝕過程中的單晶鐵各區(qū)域密度的變化 (a)單晶鐵表面吸附切屑;(b)單晶鐵表面吸附十二烷Fig.7 .Density variations of single crystal iron during laser ablation:(a)Adsorption of chip on surface of single crystal iron;(b)adsorption of dodecane on single crystal iron.

3.3 能量加載方式對材料燒蝕的影響

能量加載方式對材料燒蝕將產(chǎn)生重要的影響.分別選取能量密度為0.0159和0.1014 J/cm2的激光輻照表面吸附切屑和有機物分子的單晶鐵表面,激光脈寬分別為1 ps和10 ps,即同樣的激光能量分別以1 ps和10 ps的時間加載到單晶鐵表面.

不同加載方式下系統(tǒng)動能的變化情況如圖8和圖9所示,可以發(fā)現(xiàn)激光能量瞬時加載時對單晶鐵材料影響較大,當(dāng)激光能量瞬時加載時,1 ps時刻基底材料已經(jīng)有部分材料被燒蝕,材料熱影響區(qū)較多.而此時當(dāng)激光能量較長時間加載時基底材料基本不受影響,基底材料熱影響區(qū)較少.同樣10 ps時刻激光能量瞬時加載導(dǎo)致材料熱影響區(qū)較多,燒蝕現(xiàn)象較嚴(yán)重.另一方面當(dāng)加載激光總能量一致時,激光加載結(jié)束時刻加載時間較長時系統(tǒng)能量分布較均勻.

圖8 不同加載方式下單晶鐵表面吸附切屑的動能圖 (a)瞬時加載;(b)持續(xù)加載Fig.8 .Kinetic energy diagram of single crystal iron adsorbed iron chips in various loading modes:(a)Instantaneous loading;(b)continuous loading.

圖9 不同加載方式下單晶鐵表面吸附十二烷的動能圖 (a)瞬時加載;(b)持續(xù)加載Fig.9 .Kinetic energy diagram of single crystal iron adsorbed dodecane in various loading modes:(a)Instantaneous loading;(b)continuous loading.

對比單晶鐵基體的勢能和動能演化曲線可知,激光脈寬較小時鐵材料的勢能和動能變化較大,如圖10所示.由圖10可知,當(dāng)單晶鐵表面吸附切屑時,激光脈寬較小時單晶鐵基體勢能的變化量是激光脈寬較大時的1.3倍,激光脈寬較小時單晶鐵基體動能的變化量是激光脈寬較大時的1.4倍.當(dāng)單晶鐵表面吸附有機物時,激光脈寬較小時單晶鐵基體勢能的變化量是激光脈寬較大時的1.6倍,激光脈寬較小時單晶鐵基體動能的變化量是激光脈寬較大時的2倍.

激光脈寬較小的條件下,材料更容易被燒蝕.當(dāng)加載激光能量相同時,激光能量加載時間較長時基底材料能量演化較緩和.可以發(fā)現(xiàn)激光持續(xù)加載時基底材料的動能和勢能上升至穩(wěn)態(tài)后基本保持不變,而激光瞬時加載時基底材料的動能勢能上升至穩(wěn)態(tài)后波動較大,勢能和動能之間不斷進行轉(zhuǎn)換.另一方面,對比激光不同加載方式下基底材料燒蝕區(qū)溫度變化情況,當(dāng)激光脈寬較小時,基底材料燒蝕區(qū)溫度明顯升高,超過金屬材料的沸點,位于燒蝕區(qū)域內(nèi)的原子被氣化,并且系統(tǒng)穩(wěn)定時的平衡溫度也相對較高.而當(dāng)激光脈寬較大時,材料燒蝕區(qū)溫度上升較少,低于金屬材料的沸點,原子不會被氣化,此時不會對金屬材料產(chǎn)生燒蝕現(xiàn)象.

通過上面的討論可以發(fā)現(xiàn)激光不同能量加載方式對材料燒蝕有顯著的影響,這是由于能量加載方式直接影響熱量的傳遞方式.在脈沖寬度較小的條件下,激光能量瞬間釋放是一個絕熱過程,更容易導(dǎo)致材料的氣化和熔化.而脈沖寬度較大的激光能量長時間加載時,其燒蝕機理以熱效應(yīng)為主.此時,材料的相變是能量沉積等因素綜合作用的結(jié)果.

圖10 不同加載方式下表面吸附污染物的單晶鐵基體勢能、動能和燒蝕區(qū)溫度演化圖 (a)單晶鐵表面吸附切屑;(b)單晶鐵表面吸附十二烷Fig.10 .Potential energy,kinetic energy and temperature evolution diagrams of ablation area of single crystal iron adsorbed contaminant in various loading modes:(a)Adsorption of chip on surface of single crystal iron;(b)adsorption of twelve alkane on single crystal iron.

3.4 激光能量對材料燒蝕的影響

為了分析激光能量對材料燒蝕的影響,針對單晶鐵表面吸附切屑的體系,仿真中分別加載0.0191,0.0159,0.0127,0.0096 J/cm2和0.0064 J/cm25種不同的能量.針對單晶鐵表面吸附有機物的體系,仿真中分別加載0.1521,0.1352,0.1183,0.1014,0.0845 J/cm2和0.0676 J/cm26種不同的持續(xù)能量.圖11所示為不同能量作用下幾個時刻材料燒蝕形態(tài)對比圖.隨著激光能量的增大,同一時刻鐵材料受影響區(qū)域逐漸增大.激光加載結(jié)束時刻基底材料均受到不同程度的燒蝕,激光能量越大材料熱影響區(qū)越多.隨后加載激光能量較小的系統(tǒng)已經(jīng)初步達到平衡狀態(tài),此時基底材料各區(qū)域基本達到平衡狀態(tài).而加載激光能量較大的系統(tǒng)內(nèi)基底材料仍有部分熱影響區(qū),且加載激光能量越大的系統(tǒng)內(nèi)基底材料的熱影響區(qū)越多.隨著時間的推移,按照激光加載能量由小到大的順序系統(tǒng)內(nèi)基底材料將依次達到平衡狀態(tài).

圖11 表面吸附污染物的單晶鐵材料在不同能量激光作用下材料燒蝕形態(tài)對比 (a)單晶鐵表面吸附切屑;(b)單晶鐵表面吸附十二烷Fig.11 .Comparison of ablation patterns of single crystal iron adsorbed iron chips(a)and dodecane(b)in various energies of lasers.

為了進一步定量比較不同激光能量作用下鐵材料的熱影響區(qū)域,根據(jù)鐵材料各區(qū)域的溫度及質(zhì)量密度變化情況確定燒蝕深度和熔化深度.當(dāng)鐵材料表面吸附切屑時,材料表面燒蝕深度為0對應(yīng)的激光能量密度為0.0064 J/cm2.當(dāng)鐵材料表面吸附有機物時,材料表面燒蝕深度為0對應(yīng)的激光能量密度為0.0676 J/cm2.此時激光對單晶鐵材料的影響可以近似忽略,對比激光作用下表面沒有污染物的單晶鐵的燒蝕閾值0.18 J/cm2,可知當(dāng)單晶鐵表面吸附污染物時,更容易被激光燒蝕[23].文獻[24]的實驗研究結(jié)果表明當(dāng)激光能量在一定范圍內(nèi)時,可以去除工件表面上的顆粒污染物且不會對工件表面產(chǎn)生影響,此時激光起到清洗的效果[24],與本文模擬結(jié)果一致.

4 結(jié) 論

采用分子動力學(xué)方法模擬了激光與表面吸附污染物的單晶鐵的相互作用過程,采用傳統(tǒng)的分子動力學(xué)能量耦合方式分析激光作用下鐵材料被燒蝕的過程,在此基礎(chǔ)上研究了不同加載方式及不同激光能量密度對鐵材料燒蝕的影響情況,得出以下結(jié)論.

1)鐵材料的燒蝕源于污染物與鐵原子之間的劇烈碰撞,激光加載后根據(jù)鐵材料各區(qū)域原子的溫度和質(zhì)量密度變化情況可分為燒蝕區(qū)、熔化區(qū)和晶體區(qū),各區(qū)的原子分別表現(xiàn)出氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)原子的宏觀特征.

2)依據(jù)不同脈沖寬度條件下,單晶鐵基體的勢能和動能演化規(guī)律可知,激光脈寬較小時鐵材料的勢能和動能變化較大.不同能量加載方式直接影響熱量的傳遞方式.激光脈寬較小時的加載是絕熱過程,更容易導(dǎo)致單晶鐵材料的燒蝕,而激光脈寬較大條件下的長時間加載,燒蝕則以熱效應(yīng)為主.

3)隨著激光加載能量的增大,鐵材料熱影響區(qū)域逐漸增大.單晶鐵的燒蝕閾值為0.18 J/cm2,而當(dāng)鐵材料表面吸附多種污染物時,激光能量密度高于0.0064 J/cm2時將會對鐵材料產(chǎn)生燒蝕,因此當(dāng)鐵材料表面吸附污染物時更容易被激光燒蝕.當(dāng)激光能量密度低于一定值時,對鐵材料表面產(chǎn)生激光清洗的效果.