1 重庆大学机械与运载工程学院，重庆 400044
2 重庆大学金属增材制造（3D打印）重点实验室，重庆 400044
3 中浙高铁轴承有限公司，浙江 衢州 324000
4 浙江省高速列车传动系统运行研究重点实验室，浙江 衢州 324000
激光能量场表面热处理是提升金属零件表面性能、延长其使用寿命的重要技术手段之一。近30年来，国内外对该技术展开了大量研究。相较于传统的表面热处理技术，激光能量场表面热处理具有更加高效、精准和清洁的优势。本文首先探讨了激光能量场表面热处理技术的优劣以及模拟过程中温度、流体和相场的多物理场方程，接着综述了激光表面淬火、激光重熔、激光表面合金化、激光熔覆和激光冲击喷丸等5种典型激光能量场表面热处理技术的研究现状，然后根据工程应用需求对改善零件表面耐磨性、耐蚀性和残余应力的研究结果进行了总结，最后展望了激光能量场表面热处理未来潜在的研究方向。
激光技术 激光能量场表面热处理 耐磨性 耐蚀性 残余应力
1 西南科技大学 环境与资源学院, 绵阳 621010
2 西南科技大学 工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室, 绵阳 621010
为了提高隧道掘进爆破中炮孔的堵塞效果, 利用铝管在爆炸作用下膨胀的特性设计了一种堵孔装置, 然后通过动态应变仪测量堵孔装置膨胀撞击钢管的环向应变, 通过万能试验机对模拟炮孔中的爆炸堵孔装置进行单轴压缩脱模, 通过高速摄影记录水泥墩的爆破过程, 从而评估爆炸堵孔装置的堵塞效果。结果表明：钢管在爆炸堵孔装置膨胀撞击下产生的环向应变峰值达到0.02, 说明爆炸堵孔装置膨胀冲击孔壁的作用力较大, 有利于堵孔装置与孔壁贴合; 爆炸堵孔装置与孔壁贴合后的抗压强度为4.1~5.5 MPa, 抗剪强度为0.49~0.66 MPa, 远大于常规炮泥的抗剪强度(0.09 MPa), 其在实际使用中与炮泥配合使用, 能有效抑制炮泥运动。采用传统炮泥进行堵塞的水泥墩出现冲孔, 爆破后的水泥墩未出现破坏; 采用爆炸堵孔装置进行堵塞的水泥墩未出现冲孔, 堵孔装置在孔口产生裂纹后才被冲出, 爆破后的水泥墩最终裂成三部分。因此, 爆炸堵孔装置可大幅改善堵孔效果, 从而发挥爆生气体的破岩作用, 并有效增强了抛掷作用, 对改善隧道掏槽眼的爆破效果具有重要意义。
地下爆破 堵孔 隧道工程 抗剪强度 爆生气体 爆破效果 underground blasting stemming tunnel engineering shear strength detonation gas blasting effect
1 西南科技大学 a.环境与资源学院
2 b.工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室, 绵阳 621010
为了评估爆炸堵孔装置的堵塞效果, 将装有导爆索的爆炸堵孔装置放入模拟炮孔中进行爆炸实验, 然后通过万能试验机对其进行单轴压缩脱模实验。结果表明: 爆炸堵孔装置与孔壁贴合后的抗压强度为26.5~35 MPa, 抗剪强度为3.07~3.4 MPa, 远大于常规炮泥的抗剪强度(0.09 MPa)。将爆炸堵孔装置用于隧道爆破直眼掏槽眼中, 并对原有的孔网参数进行优化, 结果显示: 在保证掏槽进尺的情况下, 掏槽眼孔数相对于优化前减少了35%, 而且炮孔的间距也相应增大, 有利于降低相邻掏槽孔贯穿的风险, 从而有效提高施工效率。因此, 将爆炸堵孔装置与炮泥联合使用, 可大幅增强炮孔堵塞效果, 从而防止爆生气体过早逸出, 延长爆生气体在炮孔内的作用时间, 进而充分发挥爆生气体的气楔破岩作用, 并有效增强爆生气体的抛掷作用, 对保证隧道直眼掏槽爆破效果具有重要意义。
地下爆破 堵孔 聚氨酯弹性体 抗剪强度 直眼掏槽 爆生气体 underground blasting stemming polyurethane elastomer shear strength burn cut detonation gas
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Electronic Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
2 Institute of Photonics and Optical Science, School of Physics, The University of Sydney, Camperdown, NSW 2006, Australia
Metasurfaces are ultrathin metamaterials constructed by planar meta-atoms with tailored electromagnetic responses. They have attracted tremendous attention owing to their ability to freely control the propagation of electromagnetic waves. With active elements incorporated into metasurface designs, one can realize tunable and reconfigurable metadevices with functionalities controlled by external stimuli, opening up a new platform to dynamically manipulate electromagnetic waves. In this article, we review the recent progress on tunable and reconfigurable metasurfaces, focusing on their operation principles and practical applications. We describe the approaches to the engineering of reconfigurable metasurfaces categorized into different classes based on the available active materials or elements, which can offer uniform manipulations of electromagnetic waves. We further summarize the recent achievements on programmable metasurfaces with constitutional meta-atoms locally tuned by external stimuli, which can dynamically control the wavefronts of electromagnetic waves. Finally, we discuss time-modulated metasurfaces, which are meaningful to exploit the temporal dimension by applying a dynamic switching of the coding sequence. The review is concluded by our outlook on possible future directions and existing challenges in this fast developing field.
reconfigurable metasurfaces metamaterials microwaves Chinese Optics Letters
2022, 20(10): 103601
1 中国民航大学航空工程学院, 天津 300300
2 中国民航大学工程技术训练中心, 天津 300300
为了探究不同激光扫描速度下NiCoCrAlY涂层的组织性能,通过激光熔覆技术在IN718表面熔化沉积了NiCoCrAlY涂层,分析涂层的成形情况、微观结构,并测试硬度、摩擦磨损性能,建立了扫描速度、微观结构和涂层性能之间的动态关系。实验发现,不同扫描速度下的NiCoCrAlY涂层成形良好,凝固组织为垂直于固液分界面、定向及“外延式”生长的柱状枝晶组织、等轴枝晶组织。随着扫描速度的增加,涂层温度梯度增大,凝固速率加快,晶粒组织细化,涂层显微硬度有小幅度增大;同时,涂层的平均摩擦系数和磨损率呈现先减小后增加的变化趋势。结果表明,在12 mm/s扫描速度下获得的涂层耐磨性较优。
激光光学 激光熔覆 微观组织 显微硬度 摩擦磨损性能 激光与光电子学进展
2020, 57(21): 211403
1 空军工程大学等离子体动力学重点实验室, 陕西 西安 710038
2 中国人民解放军第5702工厂, 陕西 咸阳 712000
采用激光冲击强化(LSP)技术对TC4钛合金试件进行表面处理，利用空气炮试验系统对试件边缘进行外物冲击模拟，对外物打伤(FOD)试件进行拉-拉疲劳试验。结果表明，激光冲击强化有效提高了外物打伤TC4钛合金试件的疲劳强度；未强化试件疲劳裂纹源萌生在缺口根部靠近上表面的位置，强化试件的裂纹源萌生位置在材料内部，与缺口根部有一段距离，且裂纹萌生难度增大。数值应力分析结果表明，强化后试件凹坑的最大拉应力值为668.90 MPa，比强化前的1076.21 MPa减小了37.85%；强化后试件凹坑中心的残余拉应力比强化前平均减小了350 MPa；加载拉应力后，强化前后试件凹坑最大应力分别增大到1542.36 MPa和1124.37 MPa，强化后比强化前试件应力减小了30.22%，说明压应力对裂纹的萌生有明显的延缓作用。残余压应力的引入是激光冲击强化提高打伤试件疲劳强度的主要原因之一。
激光技术 疲劳强度 激光冲击强化 外物打伤 TC4钛合金 残余应力
空军工程大学等离子体动力学重点实验室, 陕西 西安 710038
激光成形修复钛合金构件存在修复区晶粒粗大和残余拉应力，以及不同区域间组织及性能不均匀的问题，导致修复构件的疲劳性能明显降低。本文采用激光冲击强化技术，对激光熔覆修复试件进行了表面强化，研究了激光冲击对其疲劳强度的影响，并从残余应力和微观组织等方面分析了激光冲击提高熔覆试件疲劳强度的原因。结果表明，钛合金基体试件的疲劳强度为401 MPa，激光熔覆试件的疲劳强度为365 MPa，下降了9％；激光冲击强化后，熔覆试件的疲劳强度达到了450.80 MPa，相比基体提高了23.5%。激光冲击强化在试件表层引入了数百兆帕的残余压应力，影响层深度可达430 μm，同时可使修复区的组织和性能变得均匀，从而提高了修复试件的疲劳抗力。
激光技术 激光熔覆 激光冲击强化 钛合金 疲劳强度 中国激光
2015, 42(11): 1103008
1 空军工程大学 等离子体动力学重点实验室, 西安 710038
2 驻黎明航空发动机公司军事代表室, 沈阳 110043
针对不锈钢焊接接头应力及组织分布不均匀,容易导致应力腐蚀开裂的问题,采用不等强度激光冲击波对316奥氏体不锈钢焊接接头进行处理.通过应力腐蚀试验、残余应力测试及微观组织分析,研究了激光冲击强化对焊接接头应力腐蚀抗性的影响及其作用机理.试验结果表明:激光冲击强化将焊接件的应力腐蚀断裂时间提高了33.48%.激光冲击波的作用,在焊接接头部位引入了高数值的残余压应力,一方面消除了热影响导致的残余拉应力,同时抵消了拉伸工作载荷的作用,降低局部应力梯度,从而延缓表面钝化膜的破裂;另一方面,激光冲击使焊接接头不同区域之间的微观组织均匀和细化,提高了微裂纹萌生的条件,降低了金属发生阳极溶解的可能性.两种因素的共同作用,使得不锈钢焊接接头的抗应力腐蚀性能显著增强.
激光冲击强化 不锈钢 焊接接头 应力腐蚀开裂 残余应力 laser shock peening stainless steel welded joints stress corrosion cracking residual stress 强激光与粒子束
2015, 27(6): 61003
空军工程大学 航空航天工程学院, 西安 710038
针对不锈钢焊接接头存在残余应力且分布不均匀、容易发生应力腐蚀的问题,采用激光冲击强化对其进行处理,探究激光功率密度和冲击次数对表面残余应力状态的优化作用,并通过应力腐蚀试验验证优化效果.结果表明:随着功率密度增加,表面残余应力明显下降,但下降幅度逐渐减小,功率密度4.24 GW/cm2与2.83 GW/cm2冲击产生的残余应力相差不大,熔合区还存在残余拉应力,说明高功率密度不足以消除表面残余拉应力;随着冲击次数增加,残余拉应力显著降低,2.83 GW/cm2冲击3次之后,残余拉应力完全消除,局部最高应力梯度从54.7 MPa/mm下降到11.7 MPa/mm,获得了高数值、分布均匀的残余压应力层.激光冲击强化后,焊接试样的应力腐蚀断裂时间提高了33.48%,激光冲击强化产生的残余压应力是其应力腐蚀抗性提高的重要原因.
激光冲击强化 焊接接头 残余应力 应力腐蚀 laser shock processing welded joints residual stress stress corrosion cracking 强激光与粒子束
2015, 27(8): 089001
1 陆军军官学院 军用仪器教研室, 安徽 合肥 230031
2 清华大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 北京100084
为解决传统的模拟时间内插法测量回波飞行时间时存在温度非线性及长死区时间的问题，提出了一种基于时间放大技术的时间电压转换器。讨论了电压转换器电路的设计和电容参数不同配置对转换器性能的影响。选用分立元件设计了一款时间电压转换器原型电路，搭建了电压转换器性能测试平台，并进行了性能测试实验。结果表明：提出的新型时间电压转换器能从原理上减小测试死区时间，消除时钟抖动、PVT(Process, Voltage and Temperature)参数变化对电路性能的影响。在有效输入范围内，微分非线性误差小于 0.45 LSB，积分非线性误差小于 0.6 LSB，满足高精度和实时测量回波飞行时间的需要。
时间电压转换器 时间放大 参数配置 微分非线性 积分非线性 time-voltage converter time amplification parameter configuration differential nonlinearity integral nonlinearity. 光学 精密工程
2013, 21(12): 3223
