为了解决40Cr钢零部件表面磨损问题, 结合表面织构理论, 采用激光相变硬化工艺制备分布规则的不同形状(圆形、条状)软硬耦合表面。通过扫描电镜、X射线衍射、摩擦磨损实验和超景深显微镜分别分析相变区微观组织、物相, 评估表面抗磨损性能、磨损表面形貌。结果表明, 圆形相变区截面硬度高于条状, 平均介于(720±3)HV0.1, 且淬硬层较深; 相变后生成马氏体、Cr7C3、Fe7C3; 对比40Cr钢未处理表面与软硬耦合表面摩擦系数, 软硬耦合表面摩擦系数均低于0.5且波动小, 具备好的摩擦稳定性;磨损表面损伤小, 源于磨损过程硬质相能够阻碍磨屑运动、减少表面损伤, 软相区可以缓存能量和碎屑, 软相区以梨削、粘着损伤为主, 硬相区以小点蚀坑为主, 900W圆形软硬耦合表面减磨耐磨效果最好; 塑韧好、表面规律分布、一定比例(50%)硬质相能够有效提升和改善材料工作表面抗磨损性能, 改善对磨副接触表面, 进而能够稳定摩擦系数。该研究可为改善40Cr零部件表面磨损提供参考。
激光技术 材料 选择性激光相变 表面织构 摩擦性能 laser technique materials selective laser transromation harding surface texture friction property
1 新疆大学机械工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830047
2 华北理工大学冶金与能源学院, 河北 唐山 063210
针对综采工作面典型零件防护涂层快速修复和制造的需要,本文以取代传统镀铬工艺为目标,采用高速激光熔覆在45钢表面制备了高质量的铁基合金涂层。采用超景深三维显微系统观察涂层的表面形貌,采用光学显微镜、扫描电镜及能谱分析仪研究了熔覆层的显微形貌及元素含量变化,采用X射线衍射技术分析了涂层各部分的物相组成,利用显微硬度计测试了涂层的显微硬度,最后采用电化学工作站测试了涂层的耐蚀性。结果表明:高速激光熔覆的熔覆效率为0.243 m 2/h;涂层平整均匀,表面粗糙度Ra≈21.38 μm;涂层组织均匀致密,且与基体实现了良好的冶金结合,稀释率约为7.1%;涂层主要由铁素体和奥氏体组成,晶粒细密,平均晶粒直径不超过2.8 μm;涂层表面的显微硬度约为基体的3倍;涂层的自腐蚀电流密度为基体的0.33%,其优异的耐蚀性源于更均匀的成分分布。
激光技术 高速激光熔覆 铁基合金 电镀铬 耐蚀涂层 中国激光
2021, 48(10): 1002122
1 新疆大学 机械工程学院， 乌鲁木齐830047
2 温州大学 机电工程学院， 浙江温州35035
为了减小多晶硅表面入射光的反射率，提高太阳能电池的光电效率，利用紫外纳秒激光器在多晶硅表面制备不同深度、不同间距的微凹坑点阵绒面，研究织构形貌对反射率及光电转换效率的影响。通过激光频率的改变实现微凹坑深度的变化，通过微凹坑排布方式的改变实现微凹坑间距的变化；使用光纤光谱仪测量多晶硅表面反射率并通过激光共聚焦显微镜观察微凹坑形貌；在PC1D软件中建立多晶硅入射光反射模型并模拟不同点阵间距下的多晶硅短路电流和开路电压，计算光电转换效率和填充因子。研究表明，不同频率（300 kHz、200 kHz、150 kHz、50 kHz）和点阵排布方式（300×300、310×310、350×350、400×400）对多晶硅表面的反射率和光电转换效率影响显著，随着频率增大，多晶硅试样反射率先减小后增加最后保持稳定；随着点阵排布密集程度增加，多晶硅试样光电转换效率逐渐提高。实验结果显示当激光频率为150 kHz，点阵分布为400×400时，多晶硅表面微凹坑成型较好，表面平均反射率为3.32%，多晶硅电池的效率为18.80%，相较于未制绒多晶硅电池提高25.9%。
表面织构 脉冲激光 反射率 多晶硅 光生伏特效应 Surface texture Pulsed laser Reflectivity Polysilicon Photovoltaic effect
1 新疆大学机械工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830047
2 中国工程物理研究院材料研究所, 四川 绵阳 621907
3 四川大学物理学院, 四川 成都 610064
采用激光熔化沉积法制备AlCoCrFeNi2.5高熵合金,通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪、电子背散射衍射技术和力学拉伸测试研究合金的凝固组织、元素分布和力学性能。研究结果表明,通过激光熔化沉积法制备的AlCoCrFeNi2.5高熵合金的微观组织为外延生长的柱状枝晶,其由一次和二次枝晶干处的面心立方(FCC)相与枝晶间隙处的体心立方(BCC)相组成。拉伸结果表明,在激光沉积方向,合金的抗拉强度达到1428 MPa,延伸率为25.8%。断口形貌显示出在 FCC 相区域观察到了大量的滑移轨迹,而位于枝晶间隙处的硬质BCC相能够有效阻碍滑移的扩展,使得FCC相中的位错密度进一步提高。拉伸变形过程中,合金内部组织中的FCC相与BCC相的耦合协同作用,可以促使AlCoCrFeNi2.5高熵合金表现出优异的综合力学性能。
材料 激光熔化沉积 高熵合金 微观组织 拉伸性能
1 新疆大学机械工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830047
2 阳江市五金刀剪产业技术研究院, 广东 阳江 529533
3 阳江市高功率激光应用实验室有限公司, 广东 阳江 529533
4 兰州理工大学 材料科学与工程学院, 甘肃 兰州 730050
为了研究3Cr14不锈钢表面激光熔覆431CO-M2合金粉末的最优工艺参数, 基于正交试验设计, 采用极差分析法, 以稀释率、成型系数以及熔覆层的宏观硬度作为评价指标, 研究激光功率、熔覆速度、送粉速度和保护气大小对熔覆层成型品质的直接影响, 从而确定和筛选出最佳的激光熔覆成型工艺。结果表明对稀释率和成型系数的影响水平按从大到小排列依次为激光功率、熔覆速度、送粉速度以及保护气大小; 对宏观硬度的实际影响按从大到小顺序排列依次为激光功率、送粉速度、熔覆速度与保护气大小; 最终选择的工艺参数是激光功率1 100 W,熔覆速度5 mm/s, 送粉速度26 g/min,保护大小0.1 MPa, 光斑大小为4 mm, 载气量为13 L/min, 离焦量为14 mm。在最优工艺参数下, 熔覆层表面连续平坦, 与基体结合度好, 涂层的平均显微硬度为684.5 HV0.2, 约为基体平均显微硬度的2.7倍, 提高基体的硬度效果明显。
激光熔覆 正交试验 3Cr14不锈钢 工艺参数 显微硬度 laser cladding orthogonal test 3Cr14 stainless steel process parameters microhardness
1 新疆大学机械工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830047
2 华北理工大学冶金与能源学院, 河北 唐山 063210
3 阳江市五金刀剪产业技术研究院, 广东 阳江 529533
4 阳江市高功率激光应用实验室有限公司, 广东 阳江 529533
为了解决不锈钢冷轧辊表层经常出现的疲劳剥落或磨损, 提升不锈钢冷轧辊表层硬度及耐磨性, 在大量实验基础上研究了工艺参数对不锈钢冷轧辊表面激光熔覆层力学性能的影响。采用激光熔覆正交实验对304不锈钢表面进行熔覆, 重点研究了激光功率、扫描速度、送粉速度和搭接率对熔覆层的影响, 取得了304不锈钢表层搭接理想熔覆层的工艺参数, 并对熔覆层的硬度和耐磨性能进行检测。结果表明, 激光功率为1 300 W、扫描速度为11 mm/s、送粉速度为1.4 r/min、搭接率为30%时熔覆层最高硬度高出基材硬度约500.00 HV0.2, 摩擦磨损实验表明熔覆层耐磨性能明显提高, 磨损104次熔覆层失重率仅为0.016 5%。激光熔覆技术在一定范围内可以大幅度提升基材的硬度及耐磨性能, 此实验结果可以为修复不锈钢冷轧辊提供工艺参考。
激光技术 冷轧辊 显微硬度 耐磨 镍基合金 laser technology cold roll microhardnes wear resistance nickel base alloy
新疆大学机械工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830046
多主元高熵合金的发现打破了传统多组元合金中存在复杂金属间化合物的桎梏,利用其特有的高熵效应可以生成简单且综合性能优异的相结构。基于该特性,高熵合金具有优异的力学性能、高温性能和耐腐蚀性能等。介绍了高熵合金的成分调控,综述了激光熔覆技术制备高硬度、热稳定及抗高温氧化、耐腐蚀、耐磨损高熵合金涂层的研究现状,展望了激光熔覆高熵合金涂层的发展前景。
激光技术 激光熔覆 高熵合金 涂层 成分调控 激光与光电子学进展
2019, 56(24): 240003
1 西安交通大学 机械工程学院, 陕西 西安 710049
2 新疆大学 机械工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830047
针对铁谱图像磨粒识别中异类信息综合利用率较低的问题, 提出多层次信息融合的铁谱图像磨粒识别方法。首先, 在铁谱图像二值化分割的基础上进行二值滤波, 结合彩色铁谱图的R、G、B三分量, 实现铁谱图像的彩色滤波。其次, 以实际采集的磨粒图像样本为例, 提取滤波后二值图像的形态特征, 以及滤波后彩色图像的颜色特征; 在特征层利用PCA对异类特征进行维数约简, 并结合SVM和k-fold交叉验证, 实现形态特征和颜色特征的特征层融合; 在决策层将异类特征的SVM概率输出结果作为D-S证据理论的基本概率分配函数, 实现形态特征和颜色特征的决策层融合。通过与形态学滤波结果对比, 验证了本文提出滤波方法的优越性; 其次, 不同层次的信息融合结果表明, 与单独使用颜色特征和形态特征相比, 异类信息融合后可实现优势互补, 有效提高故障磨粒的识别准确率。
铁谱图像 图像滤波 信息融合 磨粒识别 ferrographic image image filtering information fusion wear particle recognition
1 新疆大学 机械工程学院,新疆 乌鲁木齐 830008
2 新疆大学 机械工程博士后流动站,新疆 乌鲁木齐 830008
以Ni-Si-Nb-C混合粉末作为预置合金,采用横流CO2激光器进行激光熔覆处理,在高温合金表面制备原位合成NbC颗粒增强Ni3Si复合材料涂层。结果表明,采用合适的激光熔覆工艺参数,可获得NbC颗粒增强的以Ni3Si金属间化合物及γ-Ni固溶体为主要组成相的复合涂层。尺寸约在2-4 μm的NbC颗粒弥散分布,与复合材料基体润湿良好,熔覆层致密,组织细小,与基材呈良好的冶金结合。晶体结构及动力学生长过程决定了NbC以不同的生长形态出现。
激光技术 激光熔覆 原位反应合成 金属间化合物 显微组织
