采用高功率双光束激光-金属活性气体（MAG）复合焊接技术对Q355ND钢进行焊接。通过调整双光束能量比分析激光能量密度分布对焊缝横截面成形、熔深及熔宽的影响，并获得了27 mm厚板“Y”型单面焊双面成型良好的对接接头。然后分析了焊缝区、热影响区的显微组织和主要元素分布，测定了焊接接头的显微硬度。试验结果表明，随着激光能量比的增大，焊缝熔深表现为先减小后增大的变化趋势，能量比的变化对熔宽影响较小，在激光能量比为0.75时获得了最深的焊缝熔深。通过调整能量比，所焊接的对接接头焊缝显微组织主要为铁素体和贝氏体。在焊接接头熔合线附近元素均匀分布，未出现元素迁移现象。硬度峰值出现在靠近熔合线热影响区附近，焊缝区硬度明显高于母材，热影响区硬度随着与焊缝中心距离的增加而逐渐减小。

采用窄间隙激光填丝焊接的方式对低合金高强钢D36进行对接，实现了良好的多层多道厚板焊接，焊后无裂纹、无气孔等缺陷。通过拉伸、弯曲试验，以及显微硬度测试、显微组织观察等分析手段对焊接接头的微观组织和力学性能进行了分析和表征。结果表明：热影响区粗晶区组织由大量板条状马氏体组成，细晶区组织由晶粒细小的珠光体和铁素体组成；焊缝中心组织为先共析铁素体+针状铁素体+粒状贝氏体。填丝焊道硬度从大到小依次为热影响区、焊缝中心、母材；钝边自熔打底焊接硬度从大到小依次为焊缝中心、热影响区、母材；焊接接头拉伸试样均断裂在母材位置，断口与受力方向成45°夹角，并出现明显颈缩现象，这属于典型韧性断裂。焊缝平均抗拉强度为537 MPa，平均断后延伸率为15.6%。

采用紧耦合气雾化法制备Fe-Cr合金粉末,分别研究了雾化压力和过热度对粉末粒度分布和表面形貌的影响。结果表明,在其他工艺参数不变的情况下,随着雾化压力从3.0 MPa增加到3.4 MPa、3.8 MPa时,细粉收得率升高,粉末中位粒径减小,气压增大则对液柱的破碎能力增强;当雾化压力从3.8 MPa增加到4.2 MPa时,粗粉收得率提高,中位粒径增加,小颗粒粉末团聚或粘结形成大颗粒粉末;过热度的增加提高了雾化过程的稳定性,钢液黏度降低、流动性提高,粉末中位粒径减小,细粉收得率提高;过热度增加到300 ℃时,液流比增加使液柱破碎不完全,粉末中位粒径减小。该方法制备的Fe-Cr合金粉末的激光熔覆性良好,熔覆层硬度为HRC54~HRC57。

在激光选区熔化技术中,激光-粉末的相互作用会对粉末特性产生重大影响,而在粉末循环使用过程中粉末特性的变化规律和演变机理尚不明确。本文利用激光粒度仪、扫描电子显微镜、能量色散型光谱仪研究了激光选区熔化粉末的粒径、物理特性、表面形貌、元素含量、微观组织在循环使用过程中的变化规律。研究结果表明:随着316L不锈钢粉末循环使用次数的增加,粉末的粒径分布、形貌、表面成分、表面微观组织和氧化程度都发生了较大变化;粉末的堆积特性如松装密度、振实密度、流动性也发生了不同程度的变化;另外,循环使用的粉末颗粒表面生成了富含硅、锰元素的圆形氧化斑点。本文将循环粉末中的异形颗粒分为两类——激光诱导熔池溅射颗粒和气体夹带诱导异形颗粒,并详细讨论了两类异形颗粒的形成机理。本文研究结果表明316L奥氏体不锈钢在循环使用过程中会产生弱磁性粉末颗粒。

以316L/Q345异种钢激光焊接接头为研究对象, 通过观察气孔和宏观偏析在焊缝横截面上的分布, 建立了匙孔不稳定条件下的气泡产生过程模型, 得出了对流混合区滞留气泡和凝固界面对气泡吸附作用是产生气孔主要原因, 通过热力学计算得到气泡附着固液界面前后表面自由能变化ΔGs<0, 得到气泡向固液界面扩散是自发过程; 基于对流混合区热量传输、动量传输、质量传输特性更易满足结晶热力学和动力学条件, 建立了穿透匙孔激光焊接接头横截面上宏观偏析形成过程, 认为结晶首先发生在对流混合区, 在熔池对流作用下, 被带入的非混合边界层在焊缝中过冷, 形成“岛状组织”; 或焊缝金属侵入非边界混合层, 形成“海滩组织”。

采用选区激光熔化(SLM)技术技术制备了成形良好的块状CoCrW合金,研究了热处理工艺对CoCrW合金相组成、组织及显微硬度的影响。通过JMATPro软件模拟计算了CoCrW合金的平衡相图;利用X射线衍射分析仪、扫描电子显微镜、显微硬度计对热处理前后合金的相组成、组织、显微硬度进行了测试。结果表明:SLM制备的原始试样主要由γ相以及少量ε相组成,热处理后大量的γ相转变为ε相,且有块状、条状析出相产生;在较低的热处理温度下,熔合线处析出相的尺寸较大,与其他部位的区别比较明显;随着热处理温度升高,晶粒长大,晶界处析出相(δ相)长大,且与熔合线处的差别减小;热处理后,CoCrW合金的显微硬度有所降低,其中1100 ℃水冷试样硬度的降幅最大。

为了研究激光扫描方式对激光选区熔化成形件组织和性能的影响, 采用S形正交和旋转分区两种扫描方式制备了316L不锈钢成形件。测试了成形件的致密度及表面粗糙度, 并对其组织形貌及室温拉伸力学性能进行了对比分析。结果表明, 在其他工艺参数相同的条件下, 用旋转分区扫描方式能够减小成形件的表面粗糙度, 并提高其致密度。旋转分区扫描层内靠近熔合线主要是柱状晶, 熔道中心主要为胞状晶, 晶粒尺寸在 0.4～0.9 μm 之间, 组织比较致密; S形正交扫描的柱状晶区域不明显, 且存在球化的粉末和孔洞, 熔道中心的胞状晶较粗大。旋转分区扫描成形件的室温拉伸强度略高于S形正交扫描成形件, 主要是由于S形正交的成形件存在粉末未熔合及孔洞等缺陷所致。

针对高端菜刀刀刃所采用的430不锈钢耐磨性不够、使用寿命较低的问题, 采用激光熔敷Ni35-WC硬质合金的方法对其进行改善处理。研究了不同熔敷工艺对熔敷层一次熔敷厚度和微观组织结构的影响。结果表明, 激光功率在1 600 W范围内, 激光功率越大, 一次熔敷层厚度越大; 氩气流量增大, 一次熔敷层厚度先增加后减小; 熔敷速度增加, 一次熔敷层厚度减小。含60% WC的Ni35-WC硬质合金粉末在激光功率为1 600 W, 熔敷速度为300 mm/min, 氩气流量为4 L/min时获得最理想的熔敷效果。一次最大熔敷厚度可达2.5 mm, 表面无裂纹, 达到了刀具开刃的理想厚度。熔敷层组织为细针状马氏体加少量残留奥氏体。平均显微硬度可达8.50 GPa, 摩擦系数小, 耐磨性好。

以316不锈钢板为对象, 研究了其光纤激光-TIG复合焊接的工艺特点, 探讨了各主要参数对焊缝成型的影响规律。结果表明, 相比单独TIG焊接, 用光纤激光-TIG复合热源焊接316不锈钢, 焊接速度能明显提高, 熔深明显增大, 而熔宽增加并不明显甚至减小。以复合焊工艺 (TIG电流120 A, 激光400 W, 焊接速度27 cm/min)对5 mm厚316不锈钢板进行对接焊, 结果显示光纤激光-TIG复合焊接316不锈钢板相比单独TIG焊接能够显著提高焊缝的抗拉强度, 使其非常接近母材, 弯曲性能也与母材一样良好, 同时焊接变形明显减小。

为了提高轴承的表面硬度、耐磨性，减小能源消耗，改善传统淬火环境，利用400 W基模光纤激光器对GCr15钢进行了淬火研究。分析了扫描速度和离焦量等工艺参数对淬火层的影响。光纤激光淬火相变硬化区的组织为细小马氏体和少量球状碳化物。淬火层的显微硬度随扫描速度的增加先增大后减小，随离焦量的增加也先增大后减小。当激光功率P=400 W、扫描速度v=0.6 mm/s、离焦量f=0时，淬火层的显微硬度达960 Hv，是基体的4.4倍。摩擦磨损实验结果表明，GCr15钢经光纤激光淬火后耐磨性显著提高，其磨损机制主要为氧化磨损、机械磨损和磨料磨损。