激光冲击微坑高应变率局部动态塑性加工机理与工艺规划研究

基于激光冲击效应的微坑阵列加工新工艺，可综合实现材料表面控制摩擦、改善润滑、减少磨损与提高抗疲劳磨损能力的目标。本项目将系统研究微坑阵列激光无模高应变率激光冲击加工工艺理论与方法。针对激光冲击加工微坑中的高应变率与尺度效应特征，基于细观力学理论，研究尺度效应作用下激光冲击高应变率动态应力应变演变过程与晶内-晶间变形机制，揭示尺度效应作用下高应变率局部无模动态塑性变形机理；在此基础上，研究激光冲击微坑加工对材料表层几何与物理性能的影响规律，探索规则微坑阵列的高效可控加工方法；通过基于微坑阵列润滑模型的微坑参数优化设计，结合摩擦学试验分析与评价，实现与材料摩擦学性能匹配的微坑阵列激光冲击加工工艺规划。本项目的研究工作将为建立微介观尺度高应变率激光冲击加工工艺理论奠定基础，有望满足复杂机械系统提高关键摩擦副工作性能的迫切要求，对于拓展激光冲击技术的应用领域具有重要的理论意义和工程实用价值。

激光冲击微坑塑性成形是一种基于高应变率激光冲击效应的材料表面微织构加工新工艺，该工艺不仅能实现规则微坑阵列的可控加工，而且能同时实现微坑底部材料的表面强化。本课题针对激光冲击微坑局部无模动态塑性成形机理及成形过程数值仿真、激光冲击工艺参数对材料表层几何与物理性能的影响规律、与材料摩擦学性能匹配的微坑阵列参数优化设计等关键科学问题展开研究。探究了激光冲击微坑局部塑性成形机理；建立了激光冲击材料动态弹塑性响应与变形的三维数值仿真模型，验证了激光冲击工艺可在材料表层引入残余压应力，塑性变形的仿真结果与实验结果吻合良好；揭示了激光冲击工艺参数（如激光功率密度、激光光斑直径和重复冲击次数等）和材料初始晶粒尺寸对微坑直径、深度、深径比等几何特征及硬度、金相等物理特征的影响规律；建立了基于CFD的微坑单元润滑仿真模型，仿真结果显示，在动压润滑条件下，为得到更大的承载能力和更小的摩擦系数，宜选用适中的雷诺数，较大的微坑深度和微坑密度。摩擦学实验研究发现，在贫油润滑条件下，微坑密度对材料表面的摩擦磨损性能具有重要影响，过大或过小的微坑密度均不能得到最优的摩擦性能，为得到最低的摩擦系数、最长的失效时间及最大的承载力，需采用最佳的微坑密度。