采用激光熔覆沉积工艺,在传统TC4合金表面以单道多层的方式熔覆Ti40 (Ti-25V-15Cr-0.2Si)阻燃钛合金。重点研究了不同激光功率下熔覆层形貌特征、成分及显微硬度的演变规律,并建立了不同激光功率下的稀释率及熔覆层过渡区成分的理论预测方法。实验及分析结果表明:TC4基体区与Ti40激光熔覆区交界处存在成分及显微硬度过渡区域,特别是在过渡初期的300~350 μm范围内,4种激光功率下均出现成分及显微硬度的显著变化;当激光功率为1800 W时,Al、V、Cr元素含量及显微硬度过渡得最快;随着激光功率的增大,过渡区尺寸逐渐减小。基于过渡区成分分析及Mo当量计算发现,由热影响区向熔覆区域过渡时,显微组织直接发生α+β→β转变,导致熔覆界面处显微硬度显著降低。

以混合的Ti、V、Cr元素粉末为原料, 采用CO2激光器激光熔覆沉积Ti-20V-15Cr阻燃钛合金, 并针对合金沉积层的显微组织、冶金质量以及显微硬度展开研究。结果表明, 采用CO2激光器制备的Ti-20V-15Cr阻燃钛合金, 沉积试样成分分布均匀、组织致密、未出现裂纹、熔合不良等缺陷; 沉积试样整体由单相β晶粒组成, 但原始β晶粒形态对激光熔覆沉积工艺下的熔池凝固条件变化极为敏感; 沉积试样底部、中部和顶部区域沿沉积层生长方向依次出现三种形态的晶粒生长: 柱状晶、类等轴晶和等轴晶。基于合金凝固柱状晶/等轴晶转变模型以及激光熔覆沉积过程试样底部、中部和顶部熔池凝固条件分析, 揭示了激光熔覆沉积Ti-20V-15Cr合金的凝固组织形成机理, 采用显微硬度计对沉积试样各区域显微硬度进行测试。测试结果表明, 沉积试样各区域硬度分布均匀, 未出现明显波动, 平均显微硬度约为372 HV。

针对激光沉积修复316L不锈钢展开研究, 重点研究了修复界面形状对修复区与基材结合处冶金质量的影响。将316L不锈钢基材预处理为底角为不同角度的倒等腰梯形坡口形貌, 采用YAG脉冲激光器对切除区域进行多道多层激光沉积修复, 观察修复区的沉积层生长特性及界面结合处的冶金质量。结果表明, 当梯形坡口角度为105°时, 启光侧靠近界面处熔覆层间开始产生熔合不良及未熔粉等缺陷; 坡口角度约150°时, 收光侧的沉积层生长出现波动, 且波动性随着坡口角度的减小而显著增加; 当坡口角度减小至90°时, 启光侧修复界面处产生大量缺陷, 收光侧无法形成沉积层生长。基于倾斜角度对激光能量密度的影响以及粉末与熔池的交互作用分析, 揭示了坡口角度对缺陷形成及沉积层稳定性的影响机理。

分别采用脉冲激光焊和氩弧焊对0.7 mm厚1Cr18Ni9Ti不锈钢薄板实施焊接, 并针对两种方法获得的焊接接头的表观质量、显微组织和力学性能进行了对比研究。结果表明, 激光焊接试样的热影响区宽约60 μm, 焊缝组织为垂直于熔合线外延生长的柱状晶; 氩弧焊焊接试样的热影响区宽约1.3 mm, 热影响区内形成孪晶组织, 焊缝内靠近熔合线附近为外延生长的柱状枝晶, 到焊缝中心区域转化为等轴枝晶。基于多元合金凝固柱状晶/等轴晶转变模型揭示了两种焊接方法下焊缝区凝固组织的形成机理。显微硬度及室温拉伸性能测试结果表明, 两种焊接方法获得的焊缝区的硬度均略低于母材, 氩弧焊焊接接头的硬度分布曲线呈马鞍形, 热影响区的硬度最低。激光焊接薄板试样的抗拉强度显著高于氩弧焊。

研究了以元素粉末为送进原料时，激光立体成形(LSF)Ti-Al-V系合金的力学性能。结合激光立体成形Ti-xAl-yV(x≤10,y≤25)合金的硬度测试分析和人工神经网络模型优化，获得激光立体成形Ti-xAl-yV合金成分硬度的关系。选择典型成分合金进行室温拉伸性能测试，在此基础上获得激光立体成形钛合金抗拉强度与显微硬度的比例因子K值为2.86~3.00，可实现对激光立体成形Ti-xAl-yV(x≤10,y≤25)合金的抗拉强度预测。另外，室温拉伸性能测试结果表明，激光立体成形Ti-4Al-3V、Ti-5Al-3V、Ti-4Al-4V、Ti-5Al-4V以及Ti-3Al-6V沉积态的综合室温拉伸性能均达到Ti-6Al-4V合金的锻件标准。

激光立体成形技术是一项基于同步送粉激光熔覆的先进制造技术。激光立体成形和修复过程中沉积层、热影响区以及基体材料组织、性能的差异将对最终零件的性能, 尤其是疲劳性能产生重要影响。为改善基体、热影响区(HAZ)的组织、性能差异, 针对TC4合金, 提出在激光沉积前对基材表面进行多次激光重熔扫描预处理, 从而优化基材热影响区组织性能。基于此, 通过研究不同工艺条件下, 多次激光重熔处理对热影响区组织性能的影响。结果表明: 首先, 多次激光重熔将引起的基材热影响区总体冷却速率下降, 从而有效的消除热影响区的急冷组织; 其次, 重熔处理产生的多次热循环对基材热影响区的时效处理对于热影响区的组织、性能(硬度)也有一定的影响。通过在多层沉积前对基材进行适当的激光多次重熔扫描处理有效改善了沉积区、热影响区以及基材性能的大幅波动, 实现了均匀渐变。

利用生死单元法建立了 2024铝合金薄板光纤激光焊接和 TIG焊接的有限元模型, 对比研究了自由焊和拘束焊条件下的焊接变形特征及规律, 结果发现激光焊接和 TIG焊接铝合金薄板的变形特征均为垂直焊缝方向为角变形, 平行焊缝方向为挠曲变形, 其中 TIG焊的焊接变形量显著大于光纤激光焊。基于激光三角测距原理建立了焊件变形测量装置, 并对焊缝方向和垂直于焊缝方向的变形进行了测量。结果表明, 去除夹具约束后薄板焊件会在应力作用下进一步发生变形, 最终焊接变形量的计算结果与实验测量结果吻合较好。

激光立体成形(LSF)技术是一项基于同步送粉激光熔覆技术的先进增材制造技术。粉末流的输送对于沉积层的形成至关重要。通过建立载粉气流的湍流模型并基于粉末颗粒在气体湍流中的运动分析，采用数值模拟方法建立粉末流输送的数学模型，并利用Fluent软件进行求解，从而获得粉末流的质量浓度分布。将实验测量结果与模拟计算结果进行对比分析。结果表明，计算结果与实验测量结果比较吻合。对比粉末粒径范围为50~240 μm的粉末流和粉末粒径范围为65~75 μm的粉末流的模拟结果发现，在相同送粉工艺条件下，粒径分布范围不同则粉末流颗粒质量浓度有明显差异。

Morphology evolution of prior \beta grains of laser solid forming (LSF) Ti-xAl-yV (x \leq 11,y \leq 20) alloys from blended elemental powders is investigated. The formation mechanism of grain morphology is revealed by incorporating columnar to equiaxed transition (CET) mechanism during solidification. The morphology of prior \beta grains of LSF Ti-6Al-yV changes from columnar to equiaxed grains with increasing element V content from 4 to 20 wt.-%. This agrees well with CET theoretical prediction. Likewise, the grain morphology of LSF Ti-xAl-2V from blended elemental powders changes from large columnar to small equiaxed with increasing Al content from 2 to 11 wt.-%. The macro-morphologies of LSF Ti-8Al-2V and Ti-11Al-2V from blended elemental powders do not agree with CET predictions. This is caused by the increased disturbance effects of mixing enthalpy with increasing Al content, generated in the alloying process of Ti, Al, and V in the molten pool.

研究了混合元素法激光立体成形(LSF)钛合金,结合激光熔池内粉末颗粒熔化时间的计算以及熔池固液界面运动分析,揭示了混合元素法激光立体成形熔覆层内未熔粉末颗粒的形成机理,即元素粉末颗粒进入激光熔池内的“不熔区”是导致合金熔覆层内产生未熔粉末颗粒的根本原因。熔覆材料为球形时,未熔粉末颗粒呈“月牙”形或球形,实验观察结果与理论分析吻合很好。进一步研究了Ti-xAl-yV合金熔覆层内成分偏析带的形貌特征及产生条件:元素V含量较高时,Ti-xAl-yV合金熔覆层内易产生规律分布的成分偏析带,这是由于激光熔池内固液界面前沿熔体流动速度过低、合金化不充分而导致的。通过控制粉末输送参数、粉末性质参数和成形工艺条件,能够获得成分均匀的合金熔覆层。