1 山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255049
2 洛阳船舶材料研究所，河南 洛阳 471003
3 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
钛合金表面氧化在提高耐磨、耐蚀、界面相容性等方面具有重要应用。采用高斯分布的面热源，模拟红外激光制备Ti6Al4V钛合金表面氧化层过程中的温度分布及变化。首先，通过对比激光功率为500 W（功率密度为39.8 W/mm2）、扫描速度为15 mm/s时钛合金表面和厚度方向温度分布的模拟与试验结果，验证了有限元模型的有效性。然后，采用该模型研究激光功率、扫描速率、重复扫描间隔等对温度场的影响规律。随着激光功率增加，扫描速率降低，加工过程中的线能量增加，钛合金表面和厚度方向的温度整体增加。当线能量相同情况下，由于能量在钛合金表面的累积，大功率高扫描速度下可以获得更高的表面温度和基本相同的内部温度。随着重复扫描间隔的缩小，表面最高温度逐渐升高。
激光加工 氧化层 钛合金 数值模拟 laser processing oxide layers titanium alloy numerical analysis 激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1714006
1 浙江理工大学物理系,浙江省光场调控技术重点实验室,杭州 310018
2 浙江大学杭州国际科创中心, 浙江省宽禁带半导体重点实验室, 杭州 311200
3 浙江大学材料科学与工程学院, 硅材料国家重点实验室, 杭州 310027
宽禁带半导体材料碳化硅(SiC)凭借着其高击穿场强、高热导率、耐高温、高化学稳定性和抗辐射等优异性能, 在电力电子器件领域尤其是高温、高频、高功率等应用场景下有着巨大潜力。大尺寸、高质量、低成本的单晶SiC的制备是SiC相关半导体产品规模化应用的前提。顶部籽晶溶液生长(TSSG)法生长的单晶SiC有着晶体质量高、易扩径、易p型掺杂等优势, 有望成为制备单晶SiC的主流方法。但目前由于该方法涉及的生长机理复杂, 研究者对其内部机理的理解还不够充分, 难以对TSSG生长设备和方法进行有效的改进与优化。利用计算机对TSSG法生长单晶SiC生长过程进行数值模拟被认为是对其内部机理探究的有效途径之一。本文首先回顾了TSSG法生长单晶SiC和相关数值模拟分析的发展历程, 介绍了TSSG法生长单晶SiC和数值模拟的基本原理, 然后介绍了数值模拟方法计算分析TSSG法生长单晶SiC模型涉及的主要模块、影响单晶生长的主要因素(如马兰戈尼力、浮力、电磁力等), 以及对数值模型的优化方法。最后, 指出了数值模拟方法计算分析TSSG法生长单晶SiC在未来的重点研究方向。
宽禁带半导体 碳化硅 顶部籽晶溶液生长法 数值模拟 有限元 晶体生长 机器学习 wide bandgap semiconductor silicon carbide top-seeded solution growth numerical simulation finite element crystal growth machine learning
1 生态环境部核与辐射安全中心北京 100082
2 中国核电工程有限公司 核电安全研究中心北京 100840
核电厂发生堆芯熔毁严重事故后，堆芯熔融物可能熔穿反应堆压力容器壁面造成第二道屏障失效，此时可通过堆芯捕集器收集并冷却熔融物以防止事故进一步发展。为了探讨俄罗斯VVER（Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reactor）采用的坩埚式堆芯捕集器中熔融物的冷却过程，本文根据VVER堆芯捕集器设计资料推导参数，采用多物理场耦合软件COMSOL建立相应的计算模型，对堆芯捕集器中熔融池的流场、温度场和结壳情况进行了数值模拟研究。计算结果表明：在分层熔融池结构下，金属层会迅速凝固，含衰变热的氧化物层冷却十分缓慢。为了实现坩埚式堆芯捕集器设计功能，需要相关设备和支持辅助系统在很长时间内保持可运行性。
严重事故 堆芯捕集器 VVER 熔融物 数值模拟 Severe accident Core catcher VVER Corium Numerical simulation 中国激光
2023, 50(16): 1602306
激光与光电子学进展
2023, 60(13): 1314003
1 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
2 北京动力机械研究所，北京 100074
航天发动机供油装置的喷油流量均匀性是决定其性能质量的关键技术指标，其中供油孔的形状尺寸、内表面状态是喷油流量的重要影响因素。传统的供油孔加工方法以电火花加工为主，存在较厚的重铸层，且加工效率低。而激光制孔为典型的非接触式制孔方法，具有加工效率高、质量好，重铸层少的显著优势。为满足某型号航天发动机供油装置的高效高质量制造要求，采用脉宽为200 fs的超短脉冲飞秒激光螺旋制孔工艺，针对1.5 mm厚的GH3044镍基合金材料开展了以0.39 mm孔径为加工基准的流量数值模拟及工艺试验研究。首先通过数值模拟手段，研究了孔径、圆度、锥度以及内壁粗糙度对供油孔流量的影响规律和控制手段，之后根据模拟所获得的理论结果，通过飞秒激光制孔试验对制孔工艺进行了优化。研究发现，出入口孔径是决定流量大小最重要的因素，在单脉冲能量140 μJ，单层扫描时间1200 ms，单层进给量0.02 mm，重复频率100 kHz，旋转速度2400 r/min的工艺下，将孔径偏差控制在±5 μm以内，最终成功实现了供油孔流量偏差1.8%的制孔效果。
飞秒激光 供油孔 数值模拟 螺旋钻孔 femtosecond laser oil injection hole numerical simulation helical drilling 红外与激光工程
2023, 52(4): 20220454
1 北京航空航天大学宁波创新研究院，浙江 宁波 315800
2 北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室，北京 100191
3 北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191
4 北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院，北京 100191
研究激光粉末床熔融工艺参数与熔道形貌、气孔缺陷的关联是优化工艺参数、提升成形效率的基础。使用不同激光功率成形TC4钛合金单条熔道，并建立基于流体体积法的气‐液两相流三维细观熔池模型，对激光粉末床熔融增材制造过程中熔池内的传热、熔化、气‐液两相流动等物理行为进行仿真分析。实验研究结果表明，随着激光功率由100 W增加至400 W，熔道深度大幅度增加，而熔道宽度只在较小功率（100~150 W）下随激光功率的增加而明显增大，此后（150~400 W）不再随功率变化而明显变化。同时，在大激光功率下（400 W）下，部分熔道底部可以发现不规则的气孔缺陷。熔池形貌的预测结果与实验结果的对比验证了仿真模型的有效性。仿真结果表明，随着激光功率增加，熔池底部在反冲力作用下形成匙孔，激光直接照射在熔池底部并使能量向下传递，表现为熔道深度明显增加，熔道宽度变化不明显。在高激光功率下，较深匙孔的底部呈“J”字形，其尾部不能直接受到激光作用，能量不足，易坍塌形成气泡，随后气泡滞留凝固形成气孔缺陷。
激光技术 激光粉末床熔融 熔道形貌 工艺参数 数值模拟 气孔缺陷 laser technique laser powder bed fusion track morphology process parameters numerical simulation pore defect 中国激光
2023, 50(12): 1202304
