飞秒激光烧结金属微纳粉末的多尺度建模及机理探究

Owing to the merits of femtosecond laser in focusing high power intensity and inducing small collateral damage to material, it has been taken as a promising approach in micro/nano-mechanical and manufacture engineering. Laser sintering is a rapid prototyping technology in additive manufacturing. The emergence of femtosecond laser sintering metallic micro/nano-powders burgeons a novel opportunity to additive manufacturing of micro/nano-devices. The proposed project concentrates on multiscale modeling the sintering process, according to energy transportation starting from laser energy absorption to its evolution inside and among powders. An integrated multiscale framework covering “electronic scale (based on first principles quantum mechanical modeling), atomic scale (classical molecular dynamics simulation) and continuum scale (solving energy evolution via finite difference method)”, is to be constructed in this proposed project. Meanwhile, “auxiliary experiment of verification and correction” are to be carried out to optimize the multiscale framework. Under the condition of correctly and effectively constructed model, investigation on sintering mechanism is to be carried out from the perspectives of “material side and laser side”. Aiming at optimizing the process of femtosecond laser sintering metallic micro/nano-powders, proposals from choosing existing and synthesizing novel metallic alloy powders, as well as tuning the parameters of femtosecond laser are to be put forwards. The construction of multiscale framework and mechanism investigation will bring positive impacts on reducing the onsite experiments and accelerating the progress of research and development in the femtosecond laser sintering metallic micro/nano-powders.

飞秒激光因为能量密度高度集中及连带热损伤小的优点，已逐渐运用于微纳机械制造。粉末烧结是一种快速原型的增材制造技术。飞秒激光对金属微纳粉末的烧结为微纳机械制造创造了新的契机。本项目聚焦于飞秒激光烧结金属微纳粉末，按照激光能量从被粉末吸收和粉末体系内传输的流程，构建集成“电子尺度（基于第一性原理建模）、原子尺度（经典分子动力学仿真）和连续介质尺度（能量方程有限差分求解）”的多尺度模型框架。并通过将模型编程化，以计算机大规模并行运算的方式数值化动态呈现烧结过程。同时，本项目以“实验操作”为辅助，将实验结果用于对所构建多尺度模型的验证修正。在确保模型正确有效的前提下，对烧结机理从“材料端和激光端”两个视角展开探究。本项目以优化烧结品质为宗旨，对已有金属粉末选材和新粉末合金制备，以及飞秒激光参数设置提出建议。该多尺度模型的构建及烧结机理的探究，将对今后研究中减少现场实验投入，加快研发进度起到积极地促进作用。

基于飞秒激光加工中能量密度高度集中且连带热损伤小的独特优势，聚焦于飞秒激光烧结金属微纳粉末的过程中能量吸收与转化及粉末熔化与烧结的理化现象和科学机理，本项目构建了飞秒激光烧结金属微纳粉末的多尺度理论模型，并对烧结过程及结果开展了机理研究。本项目的主要研究工作及取得的成果简介如下：（1）面向飞秒激光能量从被金属微纳粉末吸收到粉末体系内传输的流程，发展了集成“电子尺度、原子尺度和连续介质尺度”的多尺度理论模型计算框架。（2）通过将模型编程化，以计算机大规模并行运算的方式数值化动态呈现了金属微纳粉末烧结过程。（3）基于辅助实验结果，对所构建多尺度模型进行了验证和修正。在确保模型正确有效的前提下，对烧结机理从“材料端和激光端”两个视角开展了探究。本项目对金属微纳粉末吸收入射激光能量而导致的熔化与入射激光通量、脉冲宽度的耦合关系，金属微纳粉末粒径、间距、空间排布（从一维到三维）对烧结过程及结果的影响进行了系统研究，并从纯金属粉末的烧结发展到了多元金属微纳粉末的研究。本项目研究以优化烧结品质为宗旨，对已有金属粉末选材和新粉末合金制备，以及飞秒激光参数设置提出了建议。该多尺度模型的构建及烧结机理的探究，将对今后研究中减少现场实验投入，加快研发进度起到积极地促进作用。依托本项目，项目负责人获得了北京理工大学青年教师学术启动计划、加入了国家重点研发计划“增材与激光制造”总体专家青年工作组、成为了中国机械工程师学会高级会员，并担任了美国机械工程师学会第六届国际微纳传热传质会议分会场共同组织者，发表了学术论文7篇（其中SCI收录论文5篇，EI收录论文2篇），在国际会议上做分组报告3次及墙报展示1次，协助培养了研究生中3名（其中1名获博士学位，2名获硕士学位）。