一种基于激光的新型高温机械性能表征方法

《Materials Letters: X》：A novel laser-based high temperature mechanical property characterization method

采用50-W CO2激光器进行快速局部加热，解决传统高温测试局限，结合DIC和红外热成像分析铝铜试样应变与温度分布，通过COMSOL模拟优化，实现~1000°C/mm大梯度或均匀温度场，为MAX相材料等高温测试提供新方法。

　　

摘要

在这项研究中，我们采用了一种新颖的方法，利用50瓦的二氧化碳连续波（CW）激光器在受控压力室内对金属试样进行批量加热，以进行单轴拉伸试验。该方法能够快速加热试样标距长度上的局部区域，从而克服了其他高温测试方法所固有的许多问题和限制。实验中使用了涂有石墨的铝制和铜制试样。通过数字图像相关（DIC）技术和红外（IR）热成像技术来检测试样内部的应变和温度分布，同时使用热电偶测量试样背面的温度。每种金属分别进行了三次试验：一次在室温下（作为基准），另外两次在较高温度下进行。我们建立了COMSOL模型，并通过结合比尔-朗伯定律和能量方程来模拟激光沉积过程。此外，还测试了MAX相材料，以验证该方法在极高温度（>1800°C）下的适用性。该方法能够在试样厚度方向上产生较大的温度梯度（约1000°C/mm），从而模拟材料在正常工作条件下的热冲击效应。通过分束以及从试样顶部和底部同时加热，也可以实现均匀的温度梯度。与其他现有的高温测试方法（如单区或多区炉、感应加热和焦耳加热）相比，这种方法具有更大的优势，因为它允许自由观察试样，从而实现额外的非接触式测量。