为了研究激光熔覆316L粉末多层堆积过程中熔覆层的Cr元素分布机制，建立了一种基于体积平均法的三相熔化凝固模型，模拟多层激光熔覆过程中的熔池流动、传热和传质现象。对模拟结果与实验结果进行比较分析，验证了模型的可靠性。通过分析激光熔覆多层316L粉末过程中的温度场、流场以及元素分布的瞬态变化，以Cr元素作为粉末的示踪元素获得了熔覆层的元素分布机制。结果表明：由于Marangoni效应，熔池内形成了位于熔池前端的顺时针方向涡流和后端的逆时针涡流，熔池最大流速出现在熔池后端表面；在前三层熔覆过程中，随着层数增加，熔池表面温度梯度下降导致熔池最大流速减小，而在热积累作用下熔池体积明显增大，但熔池内部流态不发生改变。同时，第二、三层熔覆时熔覆层发生部分重熔，重熔区内的基体元素在熔池内被粉末元素再次稀释，导致粉末元素的含量在熔覆层内逐层上升，最终获得从基体元素向粉末元素过渡的熔覆层。

为了探究激光熔覆搭接过程中元素分布的演化机制，建立了基于体积平均法的Eulerian-Eulerian多相流三维熔化凝固模型，模拟了45钢基体激光熔覆316L粉末的过程，获得了搭接过程中第一、二道熔覆层之间温度场、流场及溶质场的相互作用机制。对比分析了搭接过程中第一、二道熔覆层模拟与试验的熔池形貌结果，熔深误差分别为1.96%和5.39%，熔高误差分别为0.97%和2.62%，熔宽误差分别为7.27%和6.70%，验证了模型的可靠性。Cr元素分布结果表明：在第一道熔覆层的影响下，第二道熔覆层Cr元素的平均含量略高于第一道熔覆层Cr元素的平均含量。搭接区域Cr元素的平均含量略高于两道熔覆层Cr元素的平均含量。这是由于第一道熔覆层影响第二道熔覆层的熔池尺寸、横截面左右温度梯度分布及基体热量吸收，因此两道熔覆层的元素分布有着显著差异。

通过耦合温度场、熔池流场、多组分浓度场建立三维数值模型,并结合正交参数设计与极差分析研究了工艺参数对Ni/304SS激光传导焊接中接头元素重分布的影响。以Fe元素为研究对象,量纲分析结果表明,焊接过程中合金元素的输运机制由熔池对流主导。用流入Ni侧的Fe元素平均含量表征熔池中的元素分布情况,设计了L₂₅(5 ³)正交模拟实验,并通过极差分析研究工艺参数的相对重要性。结果表明,扫描速度的极差为9.45%,光斑偏移量的极差为9.17%,功率的极差为1.11%。流入Ni侧的Fe元素平均质量分数与扫描速度负相关,与偏移量正相关。此外,适当降低扫描速度并将光斑向304SS侧偏移有利于Fe元素的稀释,使其分布更均匀。

西太平洋富钴结核是近年来新发现的海底固体矿产资源, 富含Mn, Fe, Co, Ni和Cu等多种关键金属元素。 富钴结核是一种非均质的地球化学和矿物学集合体, 粒径约6 cm的结核在生长过程中记录了数千万年的海洋沉积历史, 亟需高分辨率的分析技术揭示古海洋环境信息。 采用微区X射线荧光光谱仪（μ-XRF）, 对C3BC1704富钴结核开展多元素面扫描, 获得了原位高分辨率多元素的信号强度数据, 评价了μ-XRF技术在富钴结核中的应用质量。 元素信号谱峰特征和数据频谱分布结果显示, 富钴结核中Mn, Fe, Ti, Co, Ca和Ni等元素信号强度敏感, 数据呈现相对较好的正态分布特征, 可用于定量或半定量分析; Si, Cu和Al等元素信号较弱, 数据呈现左偏的正态分布特征, 建议相关数据仅作参考。 μ-XRF获得的数据量庞大且彼此独立, 本研究将不同元素连接成彼此关联的多维矩阵, 实现了数据的位置信息和特征元素之间的数学运算和筛选, 了解了金属元素的分布和变化特征, 揭示了富钴结核生长过程的环境变化。 结果显示, Mn和Fe等元素在生长层中波动剧烈, 金属元素在富钴结核中的分布极不均匀, 显示出多成因类型的交替微层和7个大的生长周期旋回。 C3BC1704富钴结核主体暴露在海水中, 金属元素主要来自海水, 化学组成指示为典型的水成成因。 进一步定量分析结果显示, Mn, Cu和Ni等元素含量从内部向外围呈现同步降低的趋势, Fe, Ti和Co等元素含量则呈现同步升高的趋势, 这些特征指示早期偏向于成岩富集环境, 晚期则以水成富集为主。 富钴结核金属元素的分布和变化特征, 清晰呈现了富钴结核的生长结构, 揭示了富钴结核生长过程的环境变化, 有利于富钴结核的成矿模型的构建。

基于激光熔覆同轴送粉成形技术，利用316L不锈钢粉末和镍基718高温合金粉末制备二维突变梯度材料。通过电子探针检测技术在宏观层面分析整个试样的元素变化规律，通过扫描电镜及其附带的能量色散谱仪在微观层面分析界面处的微观组织及元素变化规律。结果表明：在宏观分析时元素含量突然变化，在微观分析时发现存在长约500 μm的过渡区间；界面处显微硬度变化显著，微观组织逐渐变化，但镍基718高温合金侧元素偏析明显，以Laves相和碳氮化物为主，316L不锈钢侧以胞状晶为主，且含有少量碳氮化物。

采用基于体积平均法的气-固-液三相激光熔覆模型,探究了工艺参数对45钢表面激光熔覆316L不锈钢熔覆层中Cr元素分布及其均匀性的影响。首先,使用Cr元素的平均浓度来表征熔覆层中元素的分布情况,并对熔覆过程中Cr元素分布的演变进行分析;然后,将Cr元素在y方向分布的计算结果与实验结果进行对比,验证了模型的可靠性;之后通过设定的正交工艺参数进行模拟,探究工艺参数与熔覆层中Cr元素平均含量之间的关系;最后,根据模拟结果对熔池的流动行为进行分析,探究工艺参数与熔覆层中Cr元素在x方向分布均匀性之间的关系。研究结果表明:对熔覆层中Cr元素含量影响最大的工艺参数是送粉率,然后依次为激光功率和扫描速度,送粉率与Cr元素含量呈正相关,激光功率与Cr元素含量呈负相关。熔池凝固速率与流速对熔覆层中Cr元素分布的均匀性有较大影响,可通过适当增大激光功率和降低扫描速度来获得元素分布更为均匀的熔覆层。

采用波长为1064 nm的光纤激光器对Q345钢表面锈层进行激光清洗,研究了激光扫描速度对清洗质量的影响。结果表明:当扫描速度小于1000 mm·s -1时,激光对基体的损伤较大;当扫描速度达到5000 mm·s -1时,部分锈蚀仍残留于材料表面;当扫描速度为3000 mm·s -1时,清洗效果较好且基体不会受到损伤。随着扫描速度从1000 mm·s -1增加到6000 mm·s -1,清洗后Q345钢表面的铁含量呈现先增加后降低的趋势,而氧含量则是先降低再升高。当扫描速度为3000 mm·s -1时,Q345钢表面清洗后铁元素的质量分数达到了峰值,约为90%,氧元素的质量分数则达到谷值,约为7%;铁与氧的化合物较少,且钢的表面粗糙度亦较低,Ra≈6.9 μm。通过调节扫描速度可以获得较好的激光清洗效果;激光清洗后,Q345钢表面的电化学腐蚀性能有所提高。

为满足航空航天领域同一部件不同部位的性能适用其使用环境的特殊需求, 梯度结构材料逐渐引起国内外学者的广泛关注。采用激光立体成形技术制备TA15-Ti2AlNb梯度结构材料, 研究了TA15-Ti2AlNb双合金材料的微观组织演化和显微硬度。结果表明：随着Al、Nb含量的增大, 激光立体成形沉积态TA15-Ti2AlNb双合金从TA15合金侧到Ti2AlNb基合金侧相的转变依次为α和β相, α、α2和β/B2相, α2和β/B2相, α2、β/B2和O相及α2和B2+O相。且晶粒形貌从外延生长的柱状晶逐渐转变为各向同性生长的等轴晶, 发生显著的CET转变。沉积过程中热影响引起的元素扩散是导致最终稀释区元素分布的主要影响因素, 最终导致沉积试样的微观组织和相组成发生显著改变。

化石的研究可帮助科学家了解生物的演化进程, 并帮助地质学家确定地层年代等地质信息, 其中不同年代地层地质元素的变化是地质研究的热门课题。 为研究不同年代地层地质元素的变化, 搭建了一套微区LIBS实验系统, 研究菊石化石中Ca元素的分布情况。 采用非对称最小二乘法去除光谱数据的基线, 并确定了最优的拟合参数。 采用平均值归一化算法以减小光谱强度的相对标准偏差, 多元线性回归算法计算模型的回归方程。 首先, 通过前期实验确定微区LIBS实验系统的最佳测试参数: 激光波长为1 064 nm, 激光脉冲频率为30 Hz, 光谱仪采集延时为700 ns。 其次, 选取12块经过定量标定的天然岩石样品, 从中随机抽取9块样品（闪长岩、 闪长玢岩、 辉长辉绿岩、 粗玄岩、 碱长粗面岩、 角闪闪长岩、 黑色浮岩、 斑状角闪石花岗岩、 玄武玻璃）作为测试集, 其余3块样品（辉石闪长岩、 辉石岩、 斜长花岗岩）作为预测集。 选取Ca Ⅱ 393186 nm, Ca Ⅰ 422856 nm, Ca Ⅰ 445572 nm, Ca Ⅱ 559031 nm, Ca Ⅰ 61661 nm五个特征峰的谱线强度作为自变量, 测试样品的实际Ca元素含量为因变量, 利用多元线性回归算法建立Ca元素的定量分析模型, 经预测集检验后得平均预测精度为929%。 对表面经打磨的菊石化石进行5×5点阵扫描, 得到一系列原子光谱数据。 根据Ca元素的定量分析模型, 计算后得到菊石化石Ca元素的横向分布图, 其横向分辨率优于100 μm。 作为纵向对比, 选取每个测试点的第6, 11和16组光谱数据进行处理, 分别得到Ca元素的横向分布图。 对比可以得到菊石化石Ca元素的纵向分布情况, 结果表明菊石化石在平面和空间内均呈现不均匀分布的状态, 推测实验所选取的菊石化石在形成的过程中所处周围地层地质的元素及其含量是动态变化的。 菊石化石不仅可以作为判定地层年代的证据, 还可以通过对菊石化石的元素分布及含量的研究推测该化石所处地层的元素信息。 研究工作对于浅海地层地质的演变、 环境的变化具有一定指导意义。