LY12-CZ鋁合金材料激光輻照損傷分析

張宇，白春玉，惠旭龍

中國飛機強度研究所結構沖擊動力學航空科技重點實驗室，陜西 西安 710065

1960 年梅曼發明第一臺紅寶石激光器，并演示了激光束燒穿刀片的效能，引起世界軍事領域的廣泛關注。從1962年開始，美國國防預先研究設計局（DARPA）就開始激光的軍事應用研究。隨著激光技術的不斷進步發展，美國海軍已經開展了多次高能激光打靶試驗，用高能激光武器應對海陸空天新威脅（包括作戰飛機、高超聲速飛行器、高精確遠程打擊飛行器等）成為可能[1-4]。LY12-CZ作為典型飛機結構材料，研究其在激光輻照下的損傷特性，可為飛行器激光毀傷評估和抗激光設計提供基礎。

在組合式激光毀傷研究方面，程勇[1]、J.A. Fox[5]、肖婧[6]、張亦卓[7]等通過脈沖激光器和連續激光器系統，基于理論分析和物理試驗，研究了兩者組合對典型金屬材料的毀傷效果，并分析了復合激光加載時序對毀傷效能的影響，發現了復合毀傷效果明顯優于單激光毀傷效果。李超[8]等則基于Comsol multiphysics 5.0多物理場分析軟件，進一步分析驗證了組合式激光的毀傷效能。還有部分學者針對激光輻照過程中靶板的溫度場和應力場進行了分析。Zhang Wei[9]等基于數值分析模擬，開展了長脈沖輻照下的鋁合金靶板的溫度場和應力場分布研究。肖婧[10-11]等同樣基于數值分析軟件，針對長脈沖和連續復合激光聯合輻照，考慮不同連續激光與長脈沖激光加載起始時刻的時間間隔和不同光斑半徑組合的影響，給出了材料的屈服時間、溫度峰值及熔池的大小。同時，還有部分學者對透明材料和蜂窩材料進行了激光毀傷研究。吳朱潔[12]、Xi Wang[13]、K.W.Peter[14]、R.M.Spangler[15]等針對玻璃類透明材料的激光輻照毀傷開展了相關研究；Aixi Sun[16]、Huipeng Yan[17]等則分析了鋁蜂窩板的激光輻照熱毀傷。

針對未來戰場激光武器毀傷，學者們對典型材料已經開展了一定的仿真和試驗研究，研究了單激光和組合式激光的毀傷效率，并分析了激光輻照下的溫度場和應力場等，同時也考慮了金屬、玻璃類材料和蜂窩板結構等的損傷。本文針對航空LY12-CZ 鋁合金，從激光輻照理論分析出發，結合試驗研究，給出了LY12-CZ 鋁合金的激光輻照毀傷特性，并系統性分析了激光光斑和激光功率的大小以及靶板厚度對激光毀傷的影響。

1 金屬材料激光輻照理論分析［18-19］

1.1 熱傳導模型

激光束垂直入射靶板表面中心點O處,假設鋁合金材料是各向同性的，忽略對流和輻射對熱場的影響，靶板內部的溫度場T如式(1)描述

式中：ρ為靶板密度；c為比熱容；T為溫度；t為時間；k為材料熱導率；R為反射率；α為材料吸收系數；qinc為靶材正表面上的入射激光功率密度；z為與激光入射方向一致的靶材深度坐標；Q為其他熱源。

邊界條件如式（2）描述

式中：A為材料吸收率。

1.2 考慮熔化的一維傳熱模型

在本文試驗中，靶板厚度為2mm，而激光光斑直徑為30mm，即激光光斑直徑比靶板厚度大一個數量級，在激光光斑中心處，可近似認為是一維傳熱問題。

假定溶化后液態材料密度ρq和固態材料密度ρs相等，即ρ0=ρs=ρ，則固液界面條件如式(3)所示

式中：Lm為熔化潛熱。式（3）可求得界面位置Zm。

激光輻照過程中，熔化最先出現在材料表面z= 0 處，則方程的初始條件為

為求解上述問題，進行合理化假設：當熔化層厚度遠遠小于板厚時，可認為是穩態熔化，即固-液界面以恒定的速度向固態區運動，液態一旦形成立即移走，激光束始終照射在固態表面上，即Zm界面上。

則熔化速度Um為

固-液界面位置Zm，即熔化深度為

1.3 燒穿時間估算

為了描述平板材料在強激光輻射下的燒穿時間，R.J.Harrach 在一維溫度分布T(z,t)情況下，用熱平衡積分法（HBBIM）描述了不透明板在激光（102～107W/cm2）輻照下的熱響應[19]。

在R.J.Harrach研究中進行了簡化假設，并引入無量綱（量綱一）參數

式中：κ=；tb為激光束完全燒穿平板所需的輻照時間，即由T(l,tb)=Tm條件求得；l為靶板厚度；Λ0為靶板表面吸收率；Tv為汽化溫度。

根據其研究成果，在汽化前，燒蝕時間可由式（9）表示

在汽化后，且tl＜tv，燒蝕時間可由式（10）表示

2 激光輻照試驗

2.1 試驗設備

試驗中所使用的激光輻照系統包括連續波激光器、雙色輻射測溫儀、攝像機、漫反屏、穿透時間探測器和總控系統等，如圖1所示。

圖1 激光輻照系統Fig.1 Laser irradiation system

試驗中，連續波激光器為光纖激光器，用于產生高能激光束，并通過調焦準直鏡變換，實現激光束大小的調整。雙色輻射測溫儀用于測量激光輻照位置處試驗靶板的動態溫度值。攝像機用于觀測輻照過程中靶板的損傷破壞過程。穿透時間探測器接收透過靶板、被置于靶板之后的漫反屏反射的激光能量，用于準確獲得靶板的穿透時間。通過雙色輻射測溫儀和穿透時間探測器，可以準確得到穿透時刻靶板輻照區域的溫度值。總控系統完成對激光器、雙色輻射測溫儀、穿透時間探測器、攝像機的控制，實現數據的實時存儲和顯示，并控制光纖激光器和各個測量裝置之間的時序，保證測量數據的同步性和可靠性。

2.2 試驗測量方法

本試驗中，分別獲得了激光輻照過程中靶板的損傷過程、激光輻照中心點處的溫度變化以及靶板穿透時間。

（1）靶板輻照區損傷過程測量

靶板輻照區損傷過程通過攝像機測量。試驗中，為降低激光束的影響，在攝像機前端安裝相應的濾光片，減小激光束對試驗結果的影響。

測量過程具體如下：將相機固定在三腳架上，相機與試驗靶板中心等高，在不阻擋激光光路的前提下，相機光軸與激光光軸的夾角盡量小；調整相機三腳架，使得試驗靶板表面的紅光光斑（激光器的指示光）位于相機視野的中央；將帶有刻度的十字坐標紙粘在試驗靶板表面紅光光斑位置，使得紅光光斑中心和坐標紙原點基本重合，坐標紙兩個軸分別沿著水平方向和豎直方向；觀測靶板輻照區損傷過程。

（2）靶板輻照區溫度測量

溫度測量采用美國福祿克的E2RL-F2-L-0-0 型雙色輻射測溫儀。測量過程具體如下：將雙色輻射測溫儀固定在三腳架上，測溫儀置于試驗靶板后側等高位置，與激光光軸呈一定角度；測量測溫儀和試驗靶板背面中心的距離，將測溫儀前焦距旋鈕調至對應位置刻度；測量靶板輻照區溫度。

（3）靶板穿透時間測量

穿透時間測量采用美國thorlabs的APD410A/M光電探測器。測量過程具體如下：將漫反屏置于試驗靶板的后側，以紅光光斑為指示，調節漫反屏位置和高度，使紅光光斑位于漫反屏中央位置；將穿透時間探測器固定在三腳架上，調節三腳架，使得穿透時間探測器對準漫反屏上的紅光光斑中心；根據光強度變化獲得穿透時間。

2.3 試驗工況

本文中，充分考慮了LY12-CZ 鋁合金材料的厚度、激光光斑直徑大小以及激光功率密度等變量，見表1。系統性研究LY12-CZ鋁合金的激光輻照毀傷特性。從表1的6種試驗工況中，工況1～工況3對比光斑直徑大小的影響，工況1、工況4、工況5 對比激光功率密度影響，工況1、工況6 對比材料厚度的影響。其中工況1（激光光斑直徑30mm，功率密度200W/cm2，靶板厚度2mm，輻照時間30s）為基準工況。

表1 試驗工況Table 1 Experimental parameters

3 試驗結果分析

3.1 LY12-CZ鋁合金激光輻照毀傷分析

以表1中的工況1作為基本工況，開展三次激光輻照研究，通過APD410A/M 光電探測器獲得鋁合金靶板擊穿時間，并通過雙色輻射測溫儀獲得靶板穿透點10mm 內平均溫度。圖2給出了鋁合金靶板背面的毀傷情況。可明顯觀察到靶板背面加熱和軟化引起的鼓包形成過程，以及靶板被擊穿后形成的孔洞和冒煙等現象。

圖2 靶板背面損傷過程Fig.2 Damage process on the back of the target

采用雙色測溫儀獲得的靶板穿透點處的平均溫度如圖3所示。因為該測溫儀測溫范圍≥250℃，因此在6s左右，溫度—時間曲線存在跳躍。在連續激光束的輻照下，前28s內升溫曲線光滑，靶板處于激光加熱、熔化階段，同時在攝像機內，可看到該階段靶板表面的形態變化明顯，逐漸出現軟化引起的鼓包現象，形成類似于水滴狀的變形。到28.82s處，溫度急劇上升，在鼓包的上端開始形成擊穿小孔，表明重力的作用導致熔化的靶板材料向下流動，導致鼓包上端率先形成小孔，同時攝像機觀察到靶板材料燃燒形成的冒煙、飛濺等現象，表明部分鋁合金出現升華。在擊穿處可能存在鋁合金靶板的燃燒等情況，導致溫度急劇升高再降低。之后小孔沿鼓包的上邊緣迅速擴大，形成肉眼可見的穿孔。

圖3 靶板背面穿透點10mm內平均溫度Fig.3 Average temperature within 10mm of penetration point on the back of the target

3.2 激光光斑大小影響分析

功率密度為200W/cm2，材料厚度為2mm，激光輻照時間為30s條件下，不同光斑直徑下的穿透時間和穿透時的溫度數據見表2。可看到，當光斑直徑為20mm時，在30s的輻照時間內，靶板均未穿透；光斑直徑分別為30mm 和40mm時，靶板均穿透損傷。隨著激光光斑直徑的增加，在相同的激光功率密度下，材料靶板的穿透時間是減小的，同時穿透點附近的平均溫度增大。對比激光輻照9s 時觀測點的溫度，其變化趨勢與穿透時刻溫度值一樣。

表2 不同激光光斑大小的試驗結果Table 2 Test results of different laser spot sizes

在第1 節的理論分析中，基于一維傳熱模型得到燒穿時間的表達式。其無法分析光斑直徑對燒蝕時間的影響，需要開展二維/三維傳熱模型的研究，分析光斑直徑與靶板燒蝕時間的關系。

3.3 激光功率密度影響分析

光斑直徑為30mm，材料厚度為2mm，激光輻照時間為30s條件下，不同平均功率密度下的穿透時間和穿透時的溫度數據見表3。

表3 不同激光功率密度的試驗結果Table 3 Test results of different laser power densities

由此可以看到，激光功率密度大于200W/cm2時，靶板均被穿透。同時，隨著激光功率的增大，穿透時間平均值逐漸減小，穿透點附近的平均溫度以及激光輻照9s時觀測點的溫度逐漸增大。從式（8）和式（9）得到如圖4 所示曲線，可以看到，靶板穿透時間與激光功率密度的負相關，理論與試驗結果一致性較好。本文試驗中，試驗工況不夠充足，若想得到進一步的結果，仍需開展大量的試驗進行分析。

圖4 穿透時間與功率密度的關系Fig.4 The relationship between penetration time and power density

3.4 靶板厚度影響分析

光斑直徑為30mm，功率密度為200W/cm2，輻照時間為30s條件下，不同材料厚度的穿透時間和穿透時的溫度數據見表4。

從表4 中可知，所有厚度的LY12-CZ 鋁合金平板均被穿透。同時，隨著激光功率的增大，穿透時間平均值明顯減小，激光輻照7s 時觀測點的溫度明顯增大。從式（8）和式（9）得到如圖5 所示曲線，可看到，靶板穿透時間與靶板厚度的平方正相關，理論與試驗結果一致性較好。同時試驗中的靶板穿透時間略大于理論分析結果，說明激光燒蝕靶板的過程中存在一定的對流散熱等熱量損耗方式。

圖5 穿透時間與靶板厚度的關系Fig.5 The relationship between penetration time and thickness

表4 不同材料厚度的試驗結果Table 4 Test results of different material thicknesses

4 結論

本文基于理論和試驗研究，給出了激光毀傷試驗及測量方法，分析了LY12-CZ 鋁合金激光輻照毀傷特性，并系統性研究了激光光斑大小、激光功率密度以及靶板厚度對激光輻照的影響。得到以下結論：

（1）在激光輻照下，靶板剛開始處于激光加熱、熔化階段，靶板表面逐漸出現軟化引起的鼓包現象，形成類似于水滴狀的變形。在重力的作用影響下，熔化的靶板材料向下流動，隨著溫度進一步上升，在鼓包的上端開始形成擊穿小孔，形成冒煙、飛濺等現象，之后小孔沿鼓包的上邊緣迅速擴大，形成肉眼可見的穿孔。

（2）激光光斑越大、激光功率密度越高、靶板厚度越小，靶板的穿透時間越短，同時穿透點附近的平均溫度增大。其中，靶板穿透時間與激光功率密度負相關，但與靶板厚度的平方正相關。

（3）針對考慮激光屬性和靶板屬性的典型金屬材料激光毀傷研究，因材料表面狀態加工的分散性，需提高材料加工的一致性，并通過大量試驗開展進一步研究。