高能激光辐照条件下构件温度场模拟研究

冯俊森，李和章，马　壮

(1.北京理工大学 材料学院，北京 100081；2.冲击环境材料技术国家级重点实验室，北京100081)



高能激光辐照条件下构件温度场模拟研究

冯俊森1,2，李和章1,2，马壮1,2

(1.北京理工大学 材料学院，北京 100081；2.冲击环境材料技术国家级重点实验室，北京100081)

采用有限元分析对一定功率激光辐照下不同结构的涂层温度场进行计算分析，探索在一定功率密度下涂层结构中不同铝和氧化锆组分比例对温度场的影响。结果表明，当金属基体上采用反射+散热+隔热的涂层结构时，在反射率一定的情况下，随着热疏导涂层的增厚，陶瓷隔热层随之减薄，隔热效应变弱，能量大量向基体传导，导致基体升温。当热疏导涂层和陶瓷隔热层的厚度比例为1∶3时，可达到最佳的隔热效果。

涂层；结构设计；温度场

高能激光武器是一种采用激光作为能量直接毁伤目标的定向能武器，它以激光器为核心，并配合了跟踪瞄准系统、光束控制和发射系统[1]。激光武器的发展使得导弹、飞机和卫星都受到威胁。一般的飞行器都采用金属壳体材料，强激光只要在其表面某固定部位辐照较短时间，就易使其烧蚀熔融、汽化，并使内部的燃料燃烧爆炸[2-3]。为了提高导弹等飞行器的生存能力，针对其壳体材料进行相应的热防护变得十分必要[4]。热防护的基本目的在于当金属基体受到热源作用时，尽可能降低基体的温度，从而减轻基体的热损伤程度，使得金属构件的使用安全系数大幅提高。本文采用圆柱形试样进行激光加载下构件温度场分析，试样尺寸为半径100 mm，厚度5 mm。

1　理论模型和计算方法

由于圆柱形试样和激光载荷均对中心轴旋转对称，所以可以将涂层的模型简化为二维平面问题。取柱形沿轴线截面的一半(即5 mm×100 mm长方形)为基体的模型来进行研究，其几何模型如图1所示。在激光与材料作用的过程中，主要通过热破坏使材料出现损伤或失效，因此，本文主要考虑材料在激光辐照下的升温过程。

图1　涂层的几何模型

激光载荷以表面热流形式加载，能量强度成高斯分布，作用试样涂层表面的中心点[5-6]。表面热流q(x)为：

式中，x是距离激光辐照斑圆心点的距离；r是激光半径；P是激光功率(本文中激光半径为50 mm)；R是涂层表面的反射系数，本文中反射系数均采用实测值。辐照热源也具有轴对称性，可以简化为如图2所示的几何模型。

图2　激光辐照几何模型示意图

使用有限元(FEM，ANSYS 12.0)对不同结构的涂层进行计算分析。热分析选用平面二维四节点热单元Plane55，采用自动网格划分方式，划分出的每一个单元代表一个实心的圆环，而非平面。所有节点载荷都作用在单元节点所在的圆周上。

根据已知的反射率较高的金属随波长变化的反射率曲线图(见图3)可知，在常用的金、铜、铝和银等金属中，金和铜的反射率随波长变化较大，金成本较高，不宜用于制备涂层，而铝和银反射率相对稳定，而且银的反射率随波长升高呈上升趋势，并且反射率始终>90%。对于高能激光辐照，需将银涂层这样的高反射率涂层用做表层，将大量的入射能量反射出去。在银涂层与基体之间加入其他功能涂层，可以保护基体。

图3　金属反射率随波长的变化曲线

考虑到工艺实施可能造成的影响，在有限元分析过程中，按反射率为85%进行计算。计算中用到的热物理性能参数见表1。

表1　计算中用到的热物理性能参数

将银置于表面层用于反射大量的激光能量，其下为铝热疏导涂层，用于疏导吸收的热量，然后是氧化锆隔热层，在三者配合下保护基体。考虑到涂层结合力问题，在直径为100 mm、厚度为5 mm的铝合金基体上，涂层厚度应不大于基体的厚度，本文设定涂层厚度为2 mm。在这样的条件下，铝和氧化锆各自的厚度将直接影响到材料热量疏导和隔热的效果。在基体与涂层厚度均不变的情况下，按照变量法设定厚度比，具体见表2。

表2　涂层中铝和氧化锆厚度(体积比)

2　结果与讨论

在光斑直径为100 mm，加载时间为5 s，入射激光功率为1 000 W/cm2的条件下，对上述配比的涂层进行模拟试验。按照上述不同组分比例建立涂层及基体结构模型，得到的涂层与基体温度场分布图如图4～图8所示。

图4　涂层为0 mm铝，2 mm氧化锆时的温度场分布图

图5　涂层为0.5 mm铝，1.5 mm氧化锆时的温度场分布图

图6　涂层为1 mm铝，1 mm氧化锆时的温度场分布图

图7　涂层为1.5 mm铝，0.5 mm氧化锆时的温度场分布图

图8　涂层为2 mm铝，0 mm氧化锆时的温度场分布图

由图4可以看出，在铝涂层厚度为0，也就是未加入铝涂层，只有2 mm厚度的氧化锆隔热涂层时，涂层表面最高温度达到1 276 ℃，整个试样的光斑中心区域温度极高，并且能量绝大多数集中在光斑中心靠近表层的区域，基体表面温度达到300 ℃，已非常接近铝基体的软化点(330 ℃)，使得基体安全系数降低。这是因为氧化锆热导率很低，热量不能被疏导到涂层区域，而其隔热效果较好，向下传导的能量很少，其结果使得基体与涂层接触的表面区域温度很高。

由图5可以看出，在加入0.5 mm的铝涂层后，涂层表面温度从1 276 ℃下降到1 144 ℃，基体表面温度从300 ℃下降到201 ℃。基体温度下降幅度很大，这是由于增加了铝涂层后，使得入射的能量得以在涂层内部横向疏导，而氧化锆层厚度为1.5 mm，其隔热作用依然十分明显，向下传导的能量很少，因此，基体的温度比没有铝涂层降低了100 ℃。

由图6可以看出，在铝涂层厚度为1 mm，氧化锆涂层厚度也为1 mm时，涂层表面最高温度显著下降。这说明由于铝涂层增厚，氧化锆涂层减薄，涂层没有承担较多的能量，而是将能量传导给了基体，使基体吸收能量增多，从而使温度升高较多。

由图7可以看出，整个试样大部分区域温度均>100 ℃，甚至光斑中心位置基体底部区域温度也达到了200 ℃以上。尽管涂层表面温度有效降低，且降低幅度较大，然而由于铝涂层的显著增厚，氧化锆隔热涂层减薄至0.5 mm，使得隔热效果极其不明显，大量的热量传导到了基体，基体温度普遍升高。

由图8可以看出，当涂层全部为铝时，由于铝的热导率均高达200 W/(m·K)，热量在整个试样中得到均匀沉积，能量传导迅速，在短短5 s时间内，基体大部分温度达到软化点附近，基体失效风险增大。

将不同铝涂层厚度下的涂层表面最高温度和基体最高温度值进行比较，结果如图9所示。

图9　　　　不同铝涂层厚度下涂层表面最高温度与　　　基体表面最高温度分布图

观察图9可知，当铝涂层厚度为0，即涂层完全为氧化锆层时，尽管涂层隔热效应很强，然而完全隔热使得大量能量沉积在试样的中心上表面，因此，涂层表面中心甚至离涂层表面近的基体表面中心温度均相对较高；随着铝涂层的增厚，氧化锆层的减薄，涂层表面中心温度总趋势降低，基体表面中心温度总趋势升高，这是由于隔热能力减弱，热传导能力增强的缘故；当铝涂层从0增厚到0.5 mm时，涂层表面温度降低，而基体表面温度也有所下降，这说明在25%铝涂层的比例下，尽管氧化锆层减薄，隔热能力有所降低，但是铝涂层在表面对热量进行横向热疏导以及热沉，使得大量能量得以在涂层内部均匀沉积下来，也就是说吸收热量的涂层体积更大；当铝涂层持续增厚，氧化锆层持续减薄，涂层隔热作用的减弱程度强于铝涂层横向疏导热量的能力，尽管涂层表面温度有所降低，然而基体温度依然因为涂层隔热作用的减弱和热量的向下传导而逐渐升高。

基体温度是考核涂层质量的重要指标，对于以热作用为主的激光辐照，首先应考虑基体熔化失效。对于铝基体而言，其软化点约为熔点的1/2。

3　结语

在金属基体上采用反射+散热+隔热的涂层结构时，反射率一定的情况下，随着热疏导涂层的进一步增厚，陶瓷隔热层随之减薄，隔热效应变弱，能量大量向基体传导，导致基体升温。当热疏导涂层和陶瓷隔热层的厚度比例为1∶3时，可达到最佳的隔热效果。

[1] 陈娅冰，赵尚弘，朱婧，等. 激光武器新技术及应用 [J]. 激光与光电子学进展， 2003，40(4): 18-20.

[2] 任国光. 高能激光武器的现状与发展趋势 [J]. 激光与光电子学进展，2008，45(9): 62-69.

[3] 赵江，徐世录. 激光武器的现状与发展趋势 [J]. 激光与红外，2005，35(2): 67-70.

[4] 张江华. 激光在现代军事中的应用 [J]. 中国高新技术企业，2008(20):70.

[5] 郭汝海. 化学氧碘激光器(COIL)的研究进展 [J]. 光机电信息，2010，27(5): 22-28.

[6] 郭汝海，施龙，王思雯，等. HF/DF化学激光器的研究进展 [J]. 光机电信息，2010，27(3): 30-35.

责任编辑马彤

The Research on Temperature Field Simulation of the Component under High Energy Laser Irradiation

FENG Junsen1,2， LI Hezhang1,2， MA Zhuang1,2

(1.School of Materials Science and Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China； 2.National Key Laboratory of Science and Technology on Materials under Shock and Impact， Beijing 100081， China)

Use the finite element analysis to calculate with the different structure coating temperature field under a certain power laser irradiation. Explore the effect of the temperature field in the coating structure with different Al and YSZ fractions under a certain power density. The results show that when using reflection + cooling + heat insulation coating structure on the base metal, with a certain reflectivity and coating of heat dispersion further thickening, due to the ceramic insulation layer along with thinning, the thermal insulation effect is weaker, and a lot of energy conducts to the substrate leading the substrate temperature increaseing. When the thickness ratio of the thermal conduction coating and the ceramic heat insulation layer is 1∶3, the optimum heat insulation effect can be achieved.

coating， structure design， temperature field

TG 148

A

冯俊森(1990-)，男，硕士研究生，主要从事涂层结构设计等方面的研究。

2016-01-08