Transferência de calor e regras de remoção na ablação a laser pulsado do nitreto de boro cúbico policristalino

JIANG Chaofan ,  

HAN Jiangbiao ,  

LIU Dashuang ,  

LI Yujia ,  

DING Zongye ,  

JIU Yongtao ,  

摘要

Para abordar os problemas do aumento transitório de temperatura intenso, acúmulo térmico significativo e dificuldade na previsão do tamanho da ablação durante a ablação a laser de nanosegundos com múltiplos pulsos no nitreto de boro cúbico policristalino, foi estabelecido um modelo acoplado de transferência de calor transitória e remoção de material. Com base na mistura das frações volumétricas dos componentes e na regra de Voigt-Reuss-Hill, foi construído um modelo de propriedades térmicas equivalentes dependente da temperatura. Ao estabelecer um modelo de transferência de calor transitória que considera a distribuição espacial gaussiana, modulação temporal de múltiplos pulsos e comportamento de varredura de permanência, foram configuradas duas condições de cálculo para aumento máximo de temperatura e acúmulo térmico. Em seguida, foi introduzido um critério de remoção baseado no integral de Arrhenius, combinando uma estratégia de calibração em duas etapas "âncora cinética em baixa potência combinada com correção em alta potência", estabeleceu-se um método para prever o tamanho da ablação, validado experimentalmente com duas condições representativas de 1-passe e 7-passes. Os resultados experimentais mostram que a temperatura da superfície do PcBN apresenta uma resposta cíclica de "aquecimento rápido, resfriamento lento", com acúmulo térmico significativo entre os pulsos. Após correção física em alta temperatura, o modelo suprime a superestimação não física da temperatura máxima na superfície sob condições de alta potência. Os valores de R² para a previsão da profundidade da ablação para passe único e sete passes foram 0,906 e 0,708, respectivamente, com boa capacidade de representar a tendência da área da seção transversal. Os resultados do SEM da seção transversal mostram que, sob condições de alta potência, existe uma camada mais evidente de redistribuição por reutilização e uma zona afetada termicamente próxima à superfície dos sulcos, sendo esta uma importante fonte de diferença na medição da largura aparente. Este modelo descreve bem a resposta térmica transitória e o processo de remoção de material durante a ablação a laser de nanosegundos múltiplos pulsos no nitreto de boro cúbico policristalino, fornecendo uma base para a análise dos efeitos térmicos no processamento a laser e otimização de parâmetros.

关键词

ablação a laser de nanosegundos; nitreto de boro cúbico policristalino; transferência de calor transitória; integral de Arrhenius

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