基于增强型热质传递模型的38CrMoAl钢表面激光功率依赖性微观纹理形成机制

《Optics & Laser Technology》：Laser power-dependent microtexture formation mechanisms on 38CrMoAl steel surface based on an enhanced thermal-mass transfer model

本研究通过模拟与实验结合，揭示纳秒脉冲激光在38CrMoAl表面微结构加工中多物理场耦合机制，提出包含固-液-气三相耦合、氧化动力学及高斯热源的三维热-质传递模型，实现低/中/高功率条件下激光-材料相互作用过程的定量解析与工艺参数优化窗口建立。

　　本研究围绕纳米秒脉冲激光对38CrMoAl合金表面进行微纹理加工的动态调控机制展开，通过结合仿真与实验的方法，深入探讨了激光参数对表面形貌演变的影响。研究中提出了一种改进的热-质量传递模型，该模型融合了固-液-气三相耦合、氧化动力学以及时空分布的高斯热源等关键因素，从而更全面地描述了激光加工过程中材料表面的物理化学反应与热力学响应。通过该模型，研究人员成功地识别并刻画了五个与功率相关的显著现象：低功率阶段（P < 5 W）下的固态氧化凸起、中等功率阶段（P = 5–23 W）中由马朗戈尼效应驱动的微沟槽稳定形成、高功率阶段（P = 23–26 W）下的汽化与等离子体屏蔽、功率进一步提升时（P > 26 W）的蒸汽饱和现象，以及在更高功率（P > 28 W）下出现的能量吸收饱和效应。实验部分则确认了四个关键阈值：固态氧化（P = 5 W）、稳定熔化（P = 23 W）、蒸汽抑制（P = 26 W）以及激光饱和（P = 28 W）。这些发现不仅揭示了不同功率条件下材料表面形态的演变规律，还为实现高精度的激光纹理加工提供了理论依据与参数选择窗口。

激光微加工技术因其非接触、高精度和良好的过程稳定性，已成为实现材料表面功能化的重要手段。该技术通过调节激光参数，如激光斑点直径、脉冲频率和功率密度，能够实现对材料表面形貌的精确控制。在实际应用中，激光微加工广泛应用于精密机械制造、液压密封系统、生物医用植入物表面功能化以及微光学元件的制造等领域。然而，激光与材料相互作用过程中常伴随氧化、裂纹、收缩孔洞和飞溅等缺陷，这些缺陷会显著影响加工后表面的完整性与功能性能。因此，有必要对激光诱导表面纹理形成的基本机制进行系统性研究，并通过优化加工参数，实现缺陷的抑制与表面质量的提升。

在本研究中，研究人员通过建立一个基于固-液-气三相耦合的数值模型，深入探讨了激光功率对材料表面纹理形成的影响。模型中引入了氧化诱导的质量增益效应，以及激光热源在三维空间中的时空分布特性，从而提高了对材料熔化与凝固过程的模拟精度。此外，研究还考虑了氧化与动量传递之间的耦合关系，以及激光能量输入在不同功率条件下的动态响应。这些改进使得模型能够在低功率条件下准确模拟氧化诱导的凸起结构，并在中等功率区间（5–23 W）内实现与实验数据高度一致的微沟槽宽度和侧壁高度预测。然而，在高功率条件下（P > 23 W），由于模型对等离子体光子吸收效应和蒸汽相光学不透性特性的简化处理，导致模拟结果在沟槽深度演变方面出现局部偏差。这表明在高功率加工过程中，需要进一步完善多物理场耦合框架，以提高模型对复杂物理现象的捕捉能力。

为了实现对微纹理形态的高精度控制，研究团队采用了多尺度实验框架，系统性地分析了不同激光参数对材料去除过程的影响。在低功率条件下，材料的去除主要依赖于氧化反应，而随着功率的增加，熔化与汽化逐渐成为主导因素。中等功率区间内，熔池的流动与温度分布对纹理的形成起着关键作用，此时模型的预测结果与实验数据之间误差控制在5%以内，显示出较高的可靠性。而在高功率条件下，由于熔池的剧烈汽化和等离子体屏蔽效应，材料去除过程变得更加复杂，模拟结果与实验数据之间出现了局部不一致。这提示在高功率加工过程中，需进一步考虑等离子体与熔池之间的相互作用，以及蒸汽相的光学特性对激光能量吸收的影响。

实验部分采用了一种最大功率为30 W的纳米秒脉冲光纤激光标记系统，对经过打磨处理的38CrMoAl合金表面进行微纹理加工实验。实验过程中，研究人员通过全参数覆盖的策略，系统性地分析了不同功率水平（1–30 W，以1 W为步长）对熔池形成与演变的影响。实验结果显示，随着激光功率的增加，熔池的热输入逐渐增强，导致材料去除率显著提升，同时表面纹理的形态也发生了相应的变化。在低功率条件下，材料表面主要呈现氧化诱导的凸起结构；在中等功率条件下，微沟槽的形成趋于稳定，其宽度和高度与实验数据高度吻合；而在高功率条件下，熔池的剧烈汽化与等离子体屏蔽效应显著，导致表面纹理的深度出现局部偏差，表明此时模型仍需进一步优化以提高预测精度。

通过对比数值模拟与实验结果，研究人员发现，所建立的模型在低功率与中等功率条件下能够准确预测微纹理的宏观形态与材料去除规律。特别是在中等功率区间内，模拟结果与实验数据之间的误差控制在5%以内，显示出模型在该范围内的高度可靠性。然而，在高功率条件下，由于模型对等离子体光子吸收效应和蒸汽相光学特性的简化处理，导致在熔池深度演变方面出现局部偏差。这表明，在高功率激光加工过程中，材料表面的物理化学反应更为复杂，需要更精细的模型来捕捉这些动态变化。

研究还发现，微纹理的形成不仅受到激光功率的影响，还与扫描速度、脉冲频率以及扫描轨迹等参数密切相关。通过调节这些参数，研究人员能够在不同功率条件下实现对材料表面形态的精确控制。例如，在低功率条件下，通过优化激光功率与扫描速度的配比，可以有效控制氧化反应的速率，从而获得理想的表面凸起结构；在中等功率条件下，通过调节脉冲频率和扫描轨迹，可以实现对微沟槽宽度和侧壁高度的精确调控；而在高功率条件下，需要进一步优化模型以准确模拟熔池的汽化与等离子体屏蔽效应，从而提升对高功率激光加工过程中表面形态演变的预测能力。

本研究的创新点在于，首次将氧化诱导的质量增益效应与激光热源的时空分布特性相结合，构建了一个能够准确描述激光微纹理形成过程的多尺度模型。该模型不仅能够捕捉到氧化、熔化、汽化和飞溅等不同阶段的物理化学反应，还能够揭示这些反应在不同功率条件下的演变规律。此外，研究还通过实验验证了模型的预测能力，并发现模型在低功率与中等功率区间内具有较高的准确性，而在高功率条件下仍需进一步完善。这些发现为未来研究提供了重要的理论支持，并为实际工程应用中的激光微加工参数优化提供了参考依据。

为了实现对微纹理形态的系统性调控，研究团队还探讨了不同功率条件下的热力学响应与材料去除规律。在低功率条件下，由于激光能量不足以引发材料的熔化，主要表现为氧化反应导致的表面凸起结构。随着功率的增加，材料开始发生熔化，此时马朗戈尼效应成为控制熔池流动的关键因素。在中等功率区间内，熔池的流动与温度分布对微纹理的形成起着主导作用，而高功率条件下，由于材料的剧烈汽化和等离子体屏蔽效应，熔池的热输入范围进一步扩大，导致材料去除过程更加复杂。这些发现表明，激光功率的调控是实现高精度微纹理加工的核心因素，而不同功率区间内材料的响应机制也存在显著差异。

研究还强调了多物理场耦合在激光微加工过程中的重要性。通过整合热传递、质量传递、流体力学以及氧化动力学等多个物理场，研究人员能够更全面地模拟材料在激光照射下的复杂行为。特别是在高功率条件下，等离子体光子吸收效应和蒸汽相光学特性对激光能量的吸收与传递具有重要影响，因此需要在模型中引入更精确的物理机制以提高预测精度。此外，研究还指出，激光轨迹的优化对于微纹理的形成同样至关重要。通过合理设计扫描路径和轨迹间距，可以有效控制熔池的扩展范围和材料的去除速率，从而实现对表面形貌的精确调控。

本研究的结论表明，通过建立一个基于固-液-气三相耦合的多尺度模型，可以系统性地揭示激光功率对材料表面微纹理形成的影响机制。该模型在低功率与中等功率区间内表现出较高的准确性，而在高功率条件下仍需进一步优化。研究还发现，不同功率区间内材料的响应机制存在显著差异，这为未来的激光微加工参数优化提供了重要的理论依据。此外，实验结果表明，激光功率的调节对于实现高精度的微纹理加工具有决定性作用，而多物理场耦合模型的建立则为这一过程提供了可靠的模拟工具。

总的来说，本研究通过结合仿真与实验的方法，系统性地探讨了纳米秒脉冲激光对38CrMoAl合金表面微纹理加工的动态调控机制。所建立的模型能够准确描述不同功率条件下材料表面的热力学响应与物理化学反应，从而为实现高精度的激光纹理加工提供了理论支持。同时，研究还指出了当前模型在高功率条件下的局限性，并提出了进一步优化的方向。这些成果不仅有助于提升激光微加工技术的理论水平，也为实际工程应用中的参数优化提供了重要的参考依据。未来的研究可以进一步探索高功率条件下等离子体与熔池之间的相互作用，以及蒸汽相光学特性对激光能量吸收的影响，从而构建更加完善的多物理场耦合模型，实现对激光微纹理加工过程的更精确控制。