激光辅助原位压印微锥孔边缘微裂纹形成机制及抑制方法研究

为解决微锥孔加工中边缘微裂纹难以控制的问题，研究人员通过分子动力学(MD)模拟揭示了高势能缺陷积累是微裂纹萌生的主因，建立了T2铜材料断裂韧性模型(R2=0.92906)，提出温度>600 K、压头锥角<90°、晶粒尺寸<4 μm的工艺参数阈值，为激光辅助微成形领域提供了重要理论指导。

　　

微锥孔在检测、输液、照明等领域应用广泛，但传统加工技术如微细电解、超声加工等难以保证孔壁质量和锥度精度。尤其压电雾化器中，微锥孔边缘微裂纹会显著降低零件使用寿命。吉林大学团队针对这一难题，创新性地采用原位激光辅助微压印技术(In-LAI)，通过多尺度模拟与实验揭示了微裂纹形成机制，并建立了抑制策略，相关成果发表于《Materials》。

研究团队运用分子动力学(MD)模拟构建金刚石压头压印多晶铜模型，结合有限元分析(FEM)和微尺度/中温拉伸实验，系统分析了温度、压头几何和晶粒尺寸的影响。关键发现包括：微裂纹源于加工过程中1/6〈1 1 2〉Shockley位错等缺陷的势能积累；建立的断裂韧性模型符合Hall-Petch关系，温度项拟合优度达R²=0.92906；当加工区温度>600 K时动态再结晶(DRX)可有效吸收缺陷。

分子动力学揭示微裂纹机制
通过LAMMPS软件模拟显示，压印深度达30 ?时，材料内部1/6〈1 1 2〉Shockley位错长度增长4倍，HCP(六方密堆)原子转化引发晶界重组，系统势能升高导致微裂纹自发形成。

温度对缺陷的调控作用
温度升至600 K以上时，位错线总长度下降40.2%，峰值应力从2.969 GPa降至1.775 GPa。超过动态再结晶温度T_drx=542.4 K后，新晶粒生成可吸收位错，使微裂纹钝化。

工艺参数阈值验证
实验证实：采用锥角65°压头、20 W激光功率(P=20 W对应600 K)加工时，微裂纹完全消失；晶粒尺寸<4 μm可使断裂韧性提升27.6%；而压印速度需<0.5 ?/ps以避免惯性效应引发的应力集中。

该研究首次从原子尺度阐明了In-LAI技术中微裂纹的演化规律，提出的"温度-几何-晶粒"协同调控策略，为精密微孔加工提供了新范式。所建立的尺寸效应与温度耦合模型，不仅适用于铜合金，还可拓展至其他FCC(面心立方)金属的微成形工艺优化。未来可进一步探索该技术在叠层复合材料加工中的应用潜力。