具有毛化微凸起形貌的金属表面在工业上具有广泛的应用。激光毛化技术,由于可设计性和可控性好等独特优势,备受学术界和工业界关注。但是,由于激光毛化过程复杂,涉及因素众多,目前对激光毛化形貌的形成机理尚未完全明了,对形貌尺寸变化规律的研究也不充分。鉴于此,有必要对激光毛化成形过程进行数值模拟与实验研究,并深入探究激光毛化成形机理,掌握激光毛化工艺,该研究具有重要的理论意义与应用价值。本文以激光毛化45钢材料为研究对象,将数值研究和实验研究结合,深入研究激光诱导下毛化形貌的形成过程,分析了毛化形貌的形成机理。主要研究内容与结论如下:1、毛化凸起形成机理方面,以45钢为研究对象,采用二维轴对称模型,仿真脉冲激光作用下熔池内温度场、流体流向和流速的变化情况,据此研究了毛化形貌形成的微观机理和动态过程。结果表明:(a)张力温度系数为正的含硫材料,在加热过程中存在临界温度Tc,该温度处张力产生突变,超过该温度张力温度系数变为负值;(b)整个加热过程,低于临界温度的区域,切向应力为负,熔质流向熔池中心;表面高于临界温度,切向应力为正,熔质向边缘流动;表面存在两异向环流,则交界区域形成对流零点。同种环流,切向应力越大,对应的流速峰值越大;(c)温度超过临界温度后,表面会产生新环流,熔池形貌可能会从凸起转变为凹坑,且新环流流速越大,凹坑深度越深;冷却过程主要受法向应力的影响,同时受表面粘度的影响;冷却过程形貌主要受法向应力的影响,同时受表面粘度的影响。(d)S等活性元素会改变熔池表面的张力分布,是产生凸起状形貌的主要原因;(e)汽化热损失会降低靶材表面的温度,汽化热损失和反冲压力均会对形貌尺寸产生一定的影响,但并不是伴随汽化热损失凸起高度就一定会降低,需结合表面张力共同分析。2、通过数值研究和实验研究相结合的方式,研究了毛化凸起尺寸的影响规律。结果表明:(a)功率和脉冲宽度较小时,随着功率和脉冲宽度的增加,凸起高度会增加且增大速度较快,宽度呈线性增大;继续增大功率和脉冲宽度,表面温度接近临界温度,熔池中心的张力差值减小,凸起高度的增大速度减缓,宽度仍呈线性增大;进一步增大脉冲宽度和功率,材料汽化产生热损失和反冲压力,凸起宽度增大速率减小,在热损失、反冲压力和表面张力的共同作用下凸起高度降低,且激光参数越大,相较于张力的影响,汽化热损失与反冲压力的作用效果越明显;(b)增大功率,毛化形貌由球冠状变为“W状”,最终向火山口状演变,演变期间为中心带凸起的火山口状形貌,且中心凸起的高度随功率的增大不断降低,边缘高度逐渐增加,整体深度变大。