第2卷第2期
2003 年6 月
热科学与技术
Jo urnal of Therm al Science and Tec hno lo gy
V ol.2,N o.2
Ju n
.
2003
文章编号: 1671-8097(2003)02-0106-06
收稿日期: 2003-03-18; 修回日期: 20 03-04-29.
基金项目: 国家自 然科学基金(50241010)资助项目; 高等学 校优秀 青年教师教学科研奖励计划项目.
作者简介: 雷明 凯(1963-), 男, 教 授, 博士生 导师, 主要 从事 材 料表面 工程领 域的 研究工 作; 苗 收谋 (1977-), 男, 博士 生.
E-m ail:surfeng@ dlut.edu.cn
强流载能束与材料表面相互作用的热效应
雷明凯, 苗收谋
( 大连理工大学 材料工程系, 辽宁 大连 116024 )
摘要:
介绍了强流载能束与材料表面相互作用热效应理论模型。在脉冲激光束和脉冲离子束辐照条件下,针
对不同脉冲作用时间和能量密度建立传热模型。结合最新的实验研究成果,选择合理的初始条件和边界条件、
热源项和参考坐标系。根据计算的材料表面温度场讨论非平衡效应及临界现象对表面温度场演变的影响。
关键词: 载能束; 热效应; 表面工程
中图分类号: O 642.31 文献标识码
:A
0
引 言
强流载能束表面改性技术是材料表面工程的
一个新的研究领域。所谓“强流”载能束,是指功
率密度超过 10
5
W/cm
2
(能量密度超过 1 J/cm
2
)
的载能束。载能束束流密度的提高克服了常规离
子注入改性层浅,改性效果有限的缺点
[1, 2]
。目前
有代表性的强流载能束技术主要包括脉冲激光
束、脉冲离子束等。以强流脉冲离子束为例,这项
20 世纪 70 年代末发展出的核技术,对于材料耐磨
损、腐蚀等性能具有显著的改善作用。为揭示强流
载能束特殊的热 - 力学效应的改性机理,强流载
能束与材料表面相互作用的传热、传质研究成为
热点问题
[3, 4]
。由于极短的脉冲作用时间和很高的
功率密度等因素的限制,载能束辐照热效应的实
验研究较为困难,传热过程的研究主要依赖理论
计算
[5~ 7]
。近年来随着新的实验技术和分析手段
的出现和应用,开始提供了一些载能束辐照在材
料表面产生缺陷、相变,包括熔融、蒸发/烧蚀等现
象的实验证据,为完善相应的热效应理论研究提
供了依据。本文介绍四种代表性的强流载能束与
材料表面相互作用的传热模型,结合最新的实验
研究成果,选择合理的初始条件和边界条件、热源
项和参考坐标系,旨在更为合理地描述强流载能
束辐照材料表面的温度场。根据计算的表面温度
场讨论非平衡效应及临界现象的影响作用。
1
脉冲激光束辐照的传热模型
脉冲激光束与材料表面相互作用的传热模型
主要可分为二类:长脉冲激光稳定加热的正常沸
腾蒸发模型和短脉冲激光快速加热的过热烧蚀模
型。长脉冲激光的功率为 10
4
~10
5
W ,脉宽为数
百 m s;短脉冲激光的功率则为 10
7
~10
8
W,脉宽
为数十 ns。
1
.
1
长脉冲激光辐照的传热模型
R eady
[8]
在研究激光辐照的吸收效应时,提
出正常沸腾蒸发模型。平衡加热时,蒸气压与环境
气压平衡,材料表面温度达到沸点
T
b
而沸腾蒸
发。气泡通过异质形核、长大,并向表面移动,以蒸
气分子形式逸出,表面温度不发生变化。为简化计
算,假设:(a) 热流一维传导,激光束功率密度均
匀分布;(b) 导热系数 λ,比热容
c
,密度 ρ,热 扩散
率
a
等热物性参数与温度无关;(c) 只考虑气 / 固
界 面,忽略液相,认为靶材气化后立即离开表面;
(d) 只考虑热流在入射方向的传导,忽略对流与
辐射。由一维热传导方程,得
∂
T
(
x
,
t
)
∂
t
=
a
∂
2
T
(
x
,
t
)
∂
x
2
x
>
S
sv
(
t
)(1)
式中:温度
T
(
x
,
t
) 为距离
x
、时间
t
的函数。热扩
散率为
a
=λ/ρ
c
。相应的初始和边界条件为
T
(
x
,0) = 0 (2)
T
(∞,
t
)= 0 (3)