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不锈钢上微孔的超短脉冲激光钻制及表面结构化
摘要:汽油直喷喷嘴微孔可以通过超短脉冲激光在马氏体不锈钢上加工获得。微孔内表面的
分析是通过使用扫描探针显微镜这一特别的设想实现的,并且本文的分析还揭示了周期性表
面微观结构的存在。对于表面微观结构的形成,本文以加工参数(脉冲能量、重复频率、转
速,钻孔方式)函数的形式进行了研究。实验证明微观结构的几何特性可以通过选择合适的
参数进行改变,并且本实验为减少喷嘴使用寿命期间的炼焦积累和更有效的燃油喷射雾化这
一优化过程打开视角。
关键词:激光微加工;微观结构;不锈钢
1.引言
随着对环境保护关注的提升,对于现代引擎,减少污染物和汽油的消耗是最
重要的挑战。而许多在这方面的改进都得益于汽油喷射系统的进步。因此在空燃
混合和燃烧过程中,喷嘴内部流的设计是喷雾发展的根本。
为了改善喷雾的雾化和混合过程,现代汽油直喷(GDI)引擎是在高喷射压力
下工作的。高达30MPa喷射压力的使用使燃料以高速流经一个低于饱和压力的
收缩口。在这些条件下,液体开始形成气泡并且此处由液体到蒸汽的变化有助于
增大喷雾锥角,而这有望改善空燃混合过程。
GDI引擎的空化喷嘴的孔通常是由微电火花加工(μ-EDM)形成的,直径
为150-200微米,深度约为250-350微米。超短脉冲激光钻孔最近才被证明是另
一种能够在干燥环境中工作,对于孔的设计具有更高灵活性的技术。就μ-EDM
而言,fs激光烧蚀能够在更短的加工时间内获得更光滑的内表面。
除了这些优点,众所周知超短脉冲激光垂直入射在工件上时会在被辐射表面
产生周期性纹理,而这通常被称为激光诱导周期性表面结构(LIPSS)。这些结
构的形态随着材料特性,能量密度,光学设置(极化方式,入射角等)的变化而
变化。选择合适的工艺窗口能够得到高度为10nm~100nm的定向波纹结构。这种
结构可以用来增强或降低材料的斥水性从而有利地控制表面的可湿性。现在研究
的目标是将又快又准的激光钻喷嘴孔的方式和在孔内表面产生一种波纹结构结
合起来。这对于汽车应用是极具挑战性的,因为该结构化技术能够显著的减少焦
化沉积同时能够避免喷嘴堵塞的风险。此外,孔内表面特定的周期性纳米结构对
燃料喷射打破随之产生的喷射雾化增强现象有重要影响。控制波纹结构的主要特
性(间距,方向等)需要设计和常用的打孔、钻孔技术有所不同的特别的钻孔方
式。传统的打孔方式会在边缘质量上有重大的限制,这是由于从环形槽中去除的
材料会产生沉积。
2.LIPSS形成的基本原理
上述波纹展现出的复杂形态和其他由不稳定性产生的自组织模式有许多相
似之处,诸如风成沙丘和离子束溅射产生的波纹。在线性偏振激光条件下,发现
(波纹)方向是垂直于偏振光同时一个周期通常小于激光波长。周期性与传送到
工件的电磁场强度和材料界面的边界条件有关。波纹形成的微观机理仍然在讨论
中:这里假设通过超短激光脉冲对目标材料的激发和随后的烧蚀诱导表面产生出
一种极端不平衡的情形。多个过程同时发生在超短激光脉冲和固体表面的相互作
用,其中部分被表面能量和脉冲传送的能量的相互影响所控制。结果,在原子水
平上表面瞬间解体,与此同时材料不稳定性增强。不稳定性度过一个非常短的时
间减弱了,期间度过了两个矛盾的过程,即因为解吸附作用出现表面粗化(经鉴
定,并被普遍接受是库伦和/或相爆炸)和因为扩散作用出现表面光滑。实际上
对于超短激光脉冲,即使通过电子系统的多光子激发使能量从入射光传送到晶格,
只要电子和声子之间没有热平衡,也会存在因热电子运动产生的能量扩散。由此
产生的电子热扩散长度对于激光材料相互作用而言是一个重要的量,它可以在几
皮秒内决定一个带正电和静电不稳定的表层,从而导致正电荷的库仑排放。在那
之后,表面的不稳定性甚至更强:表面因烧蚀而被侵蚀和因扩散作用而变得光滑
这两种现象在进行动态竞争。远离热平衡,此处材料的状态既不是晶体也不是非
晶体更不是液体。更倾向于认为这是材料的一种“软”状态。不稳定性减弱的结果
是在吸收磁场的作用下表面结构自我组织地形成和相关光学干涉作用下准规则
图案的形成。
3.实验
实验是在真实的喷油器零部件上进行的以评估在真实生产环境中拟进行的
钻孔技术的可行性。汽油直喷喷嘴通常是由同时具有良好的抗腐蚀性能和抗磨性
能的AISI400C不锈钢制得。这是因为(喷嘴)和内部球形阀需要赫兹接触以调
节燃油喷射周期,如图1(a)和(b)所述。直径为的圆柱喷孔
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