《Micro and Nanostructures》：TTM-MD Investigation of Ultrafast Thermal and Microstructural Dynamics in Polycrystalline Inconel 718 Under Femtosecond Laser Irradiation
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飞秒激光微加工中Inconel 718合金晶界效应及能量传递机制研究，通过TTM-MD模型揭示晶界对能量吸收、热传导和应力波传播的调控作用，晶粒数量影响材料相变及缺陷演化。
张梦雅|苗建华|王书新|李玲|杨东汉|陈海绍|胡静尧
上海中桥职业技术大学智能制造学院，中国上海201514
摘要：
飞秒激光作为一种高精度加工技术，被广泛应用于高性能材料的微制造领域。然而，使用飞秒激光照射Inconel 718合金时涉及复杂的热传递、应力传播和微观结构演变机制。特别是晶粒形态对其加工行为的影响尚未得到充分理解。在这项研究中，我们利用TTM-MD方法系统地研究了飞秒激光照射下多晶Inconel 718合金的温度分布、应力演变和微观结构变化。通过模拟不同晶粒结构的合金模型，阐明了晶界对激光能量吸收和热传递的影响机制。结果表明，飞秒激光传递的能量最初沉积在电子系统中，随后迅速传递到晶格中，导致极高的局部温度梯度和急剧的温度上升。此外，尽管晶界在热化过程中的能量传递影响有限，但它们在应力波的散射和反射中起着重要作用，从而实现能量耗散和模式转换。随着晶粒数量的增加，更高的晶界密度增强了能量耗散，进而减轻了局部应力集中，抑制了塑性变形和位错运动。值得注意的是，晶粒数量显著影响了材料的非晶化程度和位错演变。这种影响主要体现在两个方面：晶粒更细的材料对激光诱导的损伤具有更强的抵抗力，而位错在晶界处通过局部发射和湮灭保持动态平衡。本研究提供了关于飞秒激光加工过程中晶界效应的原子尺度理论见解，并为优化多晶Inconel 718合金的激光微制造提供了指导。
引言
Inconel 718是一种高性能的镍基超合金，广泛应用于航空航天领域中的关键高温部件。然而，其优异的强度、低导热性和沉淀硬化特性往往导致常规加工过程中的热损伤、工具磨损和加工硬化[1]、[2]、[3]、[4]。飞秒激光加工凭借其超短脉冲持续时间（<1 ps），能够在能量显著扩散到晶格之前实现材料去除，实现接近“冷”烧蚀[5]、[6]、[7]、[8]。这种机制有效抑制了长脉冲激光加工中常见的缺陷，如熔化、重铸层、明显的热影响区和微裂纹，为难以加工的材料（如Inconel 718合金）的精密加工和微制造提供了有前景的解决方案。
为了从根本上理解和准确预测飞秒激光加工过程中的材料响应，已经开发了多种数值方法。基于宏观连续介质的方法，如有限元建模（FEM），能够有效模拟激光诱导的温度场、热应力和相变[9]。例如，三维FEM模拟阐明了激光熔覆过程中Inconel 718的残余应力演变[10]。然而，传统的热传导模型无法捕捉飞秒激光与物质相互作用所固有的超快非平衡过程。为了解决这个问题，广泛采用了双温度模型（TTM），该模型将电子子和晶格子系统的能量方程耦合起来，描述了包括电子激发、电子-声子耦合和晶格松弛在内的瞬态过程[11]、[12]、[13]、[14]。例如，在镍中，TTM模拟显示电子-声子耦合参数和电子性质对辐照后的温度演变有重要影响[12]。尽管如此，这类连续介质模型无法直接解析原子尺度的结构动态、缺陷演变或非热烧蚀机制。
为了克服这些限制，出现了结合TTM和分子动力学（TTM-MD）的混合方法[1]、[11]、[15]、[16]。虽然MD模拟提供了无与伦比的原子尺度动态行为洞察[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]，但其计算成本对于大规模或长时间现象来说变得过高。TTM-MD方法将TTM的能量传递和电子-声子耦合机制整合到MD中，能够准确模拟激光能量吸收和对原子运动的耗散效应[11]、[16]。这种方法结合了TTM在能量传递方面的优势与MD的原子级分辨率能力，成为研究飞秒激光与物质相互作用的强大工具[16]、[17]。例如，刘健等人[16]利用TTM-MD研究了单晶硅的皮秒激光烧蚀，考虑了等离子体屏蔽和表面反射效应。周等人[11]开发了一个简化的TTM-MD框架，能够以原子精度模拟微米级激光斑点，通过朗之万方程的重新表述提高了计算效率。此外，对铜膜进行的TTM-MD研究表明，烧蚀始于亚表面的空洞形成，这一机制在低能量密度的飞秒和皮秒辐照下都有观察到[19]。
先前的研究利用MD和TTM-MD阐明了飞秒激光烧蚀单晶Inconel 718的热机械动力学，揭示了超快熔化、压力波传播、剥落、层错和非晶化现象[1]、[5]。例如，飞秒辐照导致从长程晶态向非晶态的转变，伴随着体心立方（BCC）层错的形成[5]。激光参数也显著影响烧蚀过程：更高的能量密度会放大热膨胀和压缩应力，而更短的脉冲会提高表面温度，通过协同的压力-热效应增强烧蚀[8]。然而，实际制造（如锻造、LDED、SLM、激光熔覆）通常会产生具有多种晶粒尺寸、取向和丰富晶界（GB）的多晶Inconel 718[24]、[25]。作为关键的微观结构特征，晶界控制着热传导、能量吸收、应力局部化，并在超快激光激发下改变熔体形态、应力松弛路径和相变[26]。现有研究强调了晶粒结构对激光加工行为的影响。例如，通过激光定向能量沉积（LDED）和选择性激光熔化（SLM）制造的Inconel 718薄壁表现出不同的微观结构：SLM样品包含拉长的柱状和等轴晶粒，而LDED样品则显示沿生长方向的外延柱状晶粒和细小的等轴晶粒[26]。激光熔覆过程中的树枝状生长和Laves相的形成也与晶粒结构和凝固条件相关[4]、[27]。激光辅助加工中的晶粒尺寸演变也有所不同，特定温度下的退火可以细化晶粒，而过高的热量会引发异常的晶粒生长[28]。尽管初步研究表明晶界在多晶体的飞秒激光加工中起作用，但一些基本问题仍未得到解答：晶界如何调节电子-晶格能量传递、局部温度梯度、熔池尺寸、应力波传播和微观结构重组在极端非平衡条件下的变化。系统性的原子尺度研究仍然缺乏，以探讨晶界对烧蚀机制的影响。
在这项工作中，我们为多晶Inconel 718合金开发了TTM-MD模型，以阐明其在飞秒激光烧蚀过程中对熔体尺寸、温度分布、应力演变和微观结构变化的影响。通过模拟不同晶粒尺寸、数量和取向的模型，我们揭示了晶界如何调节能量吸收和热耗散，最终评估了它们对机械性能和表面完整性的影响。这些发现为多晶超合金的飞秒激光加工的基本机制提供了原子尺度的洞察，为优化表面微加工质量和效率提供了理论指导。
部分摘录
TTM-MD
在研究飞秒激光对Inconel 718合金的辐照过程中，初始能量吸收发生在电子子系统中，随后能量在电子之间快速重新分配，直到达到准平衡状态。随后，能量从电子传递到声子，最终达到电子-声子热平衡。由于激光束直径远大于光穿透深度，因此热传递过程可以
温度演变和热扩散机制
由于飞秒激光的脉冲持续时间短和峰值功率密度高，它们在飞秒时间尺度内将能量沉积到材料表面，引发非平衡的热力学过程。具体来说，激光能量最初被材料的电子子系统吸收，然后逐渐传递给声子。为了研究微观结构对初始局部能量交换阶段的影响，图2展示了
结论
本研究阐明了多晶Inconel 718合金在飞秒激光辐照下的热传导、应力传播和微观结构演变中的关键作用。通过利用TTM-MD模拟，我们深入研究了晶界在飞秒激光加工中的多方面功能。研究发现，晶界不仅在能量吸收和热传递中起着重要的调节作用，还在应力传播、反射等方面起着关键作用
CRediT作者贡献声明
李玲：可视化、监督、方法论、资金获取。杨东汉：撰写——初稿、软件、方法论、正式分析、数据管理。陈海绍：监督、项目管理、方法论、研究。胡静尧：可视化、验证、监督、资源管理。张梦雅：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、方法论、研究。苗建华：监督、资源管理、研究、概念化。
利益冲突
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
资助
本研究工作得到了国家自然科学基金的资助，资助编号：ID: 52476156。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
