随着金属结构部件的复杂化, 广泛应用于装备制造业镍铁合金需采用激光熔覆工艺来满足复杂结构件的生产需求。针对镍铁粉末在激光熔覆中易出现缺陷问题, 本文通过对三种类型熔道(单道、横向搭接和纵向搭接)的未熔粉末、熔道倾斜等形貌缺陷进行筛选, 得出质量比m(IN625)∶m(304L)=1∶1的镍铁预混合粉末未出现缺陷的激光熔覆工艺参数; 制备出尺寸为20 mm×70 mm×70 mm的镍铁块状材料来验证该熔覆工艺参数的合理性。研究表明: 未出现缺陷的最佳激光熔覆工艺参数为: 激光功率0.8 kW, 扫描速度6 mm/s; 镍铁材料块并未出现裂纹等缺陷仅存在极少量的未熔粉末, 其组织生长方式为连续的柱状晶和等轴晶。

针对激光熔覆过程中两种粉末混合喷射后实际成分与设计成分偏差的问题,设计了钛(Ti)/羟基磷灰石(HA)粉末收集实验,该实验将未分离粉末宽度作为成分评价标准;然后基于响应曲面法建立了未分离粉末宽度与激光工艺参数之间的数学模型;通过对回归模型求极值,确定合理的工艺参数,抑制了激光沉积过程中粉末成分偏差现象。实验结果表明:离焦量对Ti/HA粉末分离的影响最大,其次是扫描速度,送粉率对预混合粉末分离的影响最小;未分离粉末宽度随着离焦量的增大而呈现先增大后减小的趋势,并随着扫描速度的增大而减小;当离焦量为-3~-1.5 mm,扫描速度为0~4 mm·s -1时,未分离粉末宽度较大,该范围内的工艺参数有利于改善Ti/HA生物医学材料成分配比不准确的问题。

镍铁合金具有耐腐蚀、耐高温等优良性能, 逐渐成为一种极具发展潜力的高温结构材料。针对镍铁合金在激光熔覆时易出现裂纹等缺陷, 研究了质量比mIN625/m304L=1∶3的镍铁合金未出现缺陷的激光熔覆工艺参数。通过光学显微镜和扫描电子显微镜对单道、横向搭接和纵向搭接的宏观形貌进行了观察。结果表明, 单道中不存在缺陷, 横向搭接中存在裂纹和熔道波动, 纵向搭接中存在熔道倾斜; 以单道、横向搭接和纵向搭接中存在的缺陷为筛选条件, 优选出了镍铁合金激光熔覆无缺陷的激光功率为0.6 kW, 扫描速度为6 mm/s、8 mm/s、10 mm/s。

铝粉因其良好的热物理性能可作为激光焊接吸收剂, 但是铝的高反射率, 需掺入炭黑来提升吸收剂的吸光性能。本文应用半导体激光器对含铝粉吸收层的聚碳酸酯进行了激光透射焊接实验, 以吸收剂不同铝粉含量为主要因素, 结合激光功率、焊接速度采用正交水平法研究了焊接工艺参数对焊接强度的影响, 对焊接工艺参数进行了优化。得到了最佳工艺参数, 重点分析了不同铝粉含量吸收剂对焊缝形貌和连接强度的影响。实验结果表明, 吸收剂铝粉含量为40wt%, 焊接功率为35 W, 焊接速度为4 mm/s时, 拉断力最大, 焊接强度最高。

应用二极管激光器对铝膜作为吸收层的聚碳酸酯进行了激光透射焊接实验, 以不同铝膜宽度为主要影响因素, 结合激光功率、焊接速度因素采用单因素实验法与响应曲面法相结合的方式对焊接工艺参数进行了优化, 得到了拟合方程及最佳焊接工艺参数组合, 重点分析了铝膜宽度与焊缝宽度的关系。采用COMSOL软件建立了基于铝膜中间层的有限元模型, 研究了焊接工艺参数作用下的温度场分布, 结果表明模拟焊缝宽度与实验焊缝宽度吻合。

为了研究不同应力比下激光喷丸强化（LSP）对6061-T6铝合金疲劳裂纹扩展性能的影响，采用有限元软件ABAQUS和疲劳分析软件MSC.Fatigue相结合，对应力比为0.1、0.3、0.5条件下的6061-T6铝合金紧凑拉伸(CT)试样进行了激光喷丸强化疲劳裂纹扩展的数值模拟，分析残余压应力对高低应力比下的裂纹闭合效应，探索不同应力比对激光喷丸强化疲劳寿命增益的影响。结果表明，经过激光喷丸后，3种不同应力比下的疲劳裂纹扩展速率较未处理试件都有一定的降低；应力比的取值对激光喷丸后CT试样的疲劳寿命有显著影响，应力比越小，激光喷丸对CT试样疲劳寿命的增益影响越明显。

采用波长为1064 nm，脉冲宽度20 ns的YLSS-D25A/M型激光器，按预定轨迹对6061-T6铝合金紧凑拉伸(CT)疲劳试样进行大面积光斑搭接的双面激光喷丸强化(LSP)处理，研究了喷丸强化前后试样中残余应力的分布情况，讨论了激光喷丸处理对含预制裂纹CT样疲劳裂纹扩展速率的减缓程度，分析了激光喷丸后试样的疲劳断口特征。结果表明，激光喷丸强化诱导的残余压应力场能有效地降低疲劳裂纹扩展速率，疲劳寿命提高64.4%，观察试样激光喷丸后疲劳断口的宏微观形貌，发现在疲劳裂纹扩展区，张应力轴与裂纹平面垂直，正断面上出现明显的疲劳辉纹，疲劳辉纹间距随着裂纹的扩展而逐渐增大。

采用纳米压痕技术对纯铜试样进行了力学性能测试，包括纳米硬度和弹性模量。结果表明，激光微喷丸强化区域的纳米硬度和弹性模量比未喷丸区域高，最高值分别是未喷丸区域的4.21倍和2.39倍。探讨了喷丸区域的纳米硬度和弹性模量的变化规律，分析了主要影响因素和强化机理。通过纳米压痕技术对材料表面力学性能的合理表征，为激光微喷丸强化过程中的工艺参数选择和表面质量的有效控制提供理论指导。

激光微喷丸强化是利用微尺度脉冲激光和材料相互作用诱导的冲击波压力实施表面改性的新技术，可适应于宏观和微观金属构件的表面处理。通过控制工艺参数和合理的路径规划能够在材料表层产生有益的残余压应力分布和规则的几何形貌，有效改善材料的耐磨、耐腐蚀和抗疲劳性能，从而有效提高结构零件的使用寿命。在介绍激光微喷丸技术原理和特点的基础上，分析了激光微喷丸工艺过程涉及和需解决的一些关键科学问题，概述了激光微喷丸强化在压力模型、相关试验、数值模拟和表面完整性等方面的研究成果和进展，指出了目前激光微喷丸强化改性研究中存在的问题，并对激光微喷丸技术的发展及其应用进行了展望。