镍基合金是一种重要的航天航空材料，所以研究激光切割镍基合金的工艺参数对航天航空制造业有重要的价值。首先，采用正交试验法进行激光切割镍基合金，评估不同工艺参数的切割质量，直观分析优化工艺参数，得出优化值为80.175。然后，采用反馈式神经网络对切割质量进行训练拟合，预测17、18号样本的切割质量，误差百分比分别为3.14%、2.20%。最后，以此预测模型为基础，进行遗传算法的极值寻优，通过概率为0.4的交叉操作和概率为0.2的变异操作寻找种群范围内最优适应度值及对应变量值，此迭代进化过程为100次，得出的理论评分为89.076，验证试验得出的实际评分为89.150，误差仅为0.074。相比正交法直观分析优化，该方法只做少量试验样本，就可以快速找到最优工艺参数。

为了突破新型动力蠕墨铸铁本体材料不耐磨的技术瓶颈,研究蠕墨铸铁表面激光熔覆合金涂层后的微观组织和力学性能。在RuT300表面激光熔覆含有WC增强相的镍基高温合金,对样品的涂层以及结合区进行组织和成分分析,并对样品的涂层和基体进行硬度测试。涂层中WC颗粒分布不均匀,未全熔的WC颗粒作为非均匀的结晶晶核,外部有花瓣状枝晶沿WC颗粒的边界生长。Ni基WC复合涂层的平均硬度是蠕墨铸铁基体的平均硬度的4.52倍。WC颗粒的密度高于Ni基粉末,且熔池的散热具有非平衡性,使得WC颗粒在涂层中的分布及溶解程度均呈现非均匀性,WC的存在提高涂层硬度,同时为花瓣状枝晶额外提供生长晶核,有助于涂层中的颗粒相与镍基合金溶剂牢固结合,对提高涂层的硬度及耐磨性具有正向作用。

针对单道激光熔覆,利用数值模拟技术得到了激光熔覆过程的温度场;在Q235钢表面制备了Ni基激光熔覆层,基于材料相变理论分析了熔覆层不同深度位置微观组织的形成机理,并研究了添加CeO₂、TiO₂纳米颗粒对熔覆层组织的影响。结果表明:在激光熔覆过程中,在激光辐照和热传导的共同作用下,熔覆层和基体不同深度区域因温度变化的差异而发生不同类型的相变,从而得到不同的微观组织;在熔覆粉末中添加CeO₂、TiO₂纳米颗粒,可以通过影响材料的相变过程而改变熔覆层的化学组成和微观结构,提高形核率,得到组织均匀细小的熔覆层。

通过同步送粉方式在Q235钢基材表面制备了添加不同质量分数纳米TiO₂和CeO₂的Ni基激光熔覆层,分析了熔覆层的表面形貌、显微组织和物相组成,并测定了熔覆层的硬度和耐腐蚀性。结果表明,在Ni基合金粉末中同时加入TiO₂和CeO₂,可以充分发挥二者的性能,得到组织均匀细密、无裂纹、耐腐蚀性较高的熔覆层,也可改善Ni基激光熔覆层的组织结构并提高其性能。

为了研究在激光熔覆修复工艺中, 激光扫描速率对最终形成的熔覆层性能的影响,采用同步送粉法, 利用激光熔覆工艺在QT500球墨铸铁上制备了不同扫描速率下的镍基合金熔覆层样本; 利用金相显微镜观察熔覆层的显微金相, 并使用显微硬度计对熔覆层显微硬度进行了测定与分析, 取得了熔覆层样品的硬度、显微金相组织以及样品稀释率等数据。结果表明, 在其它条件不变下, 随着激光扫描速率的增加, 熔覆层组织更加致密、均匀,熔覆层的平均显微硬度得到了显著提高; 以激光功率为1.9kW、扫描速率为5mm/s、光斑直径为4mm等参量得到的熔覆层组织与性能最优。此研究对激光熔覆表面强化工艺中合理选择工艺参量提供了理论依据。

通过激光熔覆技术制备得到NiCrBSi涂层,分析了涂层的显微组织和物相,研究了不同温度下涂层的耐磨性能,讨论了700 ℃和750 ℃高温摩擦环境下显微组织演变和摩擦磨损机制,确定了涂层适用的工作温度区间。结果表明,涂层主要包括γ-Ni、Cr₃C₇、CrB和Ni-B-Si共晶组织;700 ℃时增强相Cr₃C₇和CrB保持稳定,共晶组织轻微分解,涂层的耐磨性较常温略有减弱,磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损;750 ℃时CrB未分解,但Cr₃C₇和共晶组织明显分解,这导致涂层磨损和软化严重,在边缘形成飞边,涂层因严重塑性变形而失效。

采用同轴送粉激光熔覆技术,在45钢表面制备了Ni基合金熔覆层。通过断口分析推断裂纹类型和断裂方式,并结合能谱分析研究了裂纹的萌生和扩展机理。同时,研究了激光熔覆主要工艺参数对开裂敏感性的影响。结果表明,激光熔覆Ni基合金的裂纹断面特征为准解理断裂,属于脆性断裂;熔覆层中的热残余应力导致裂纹在界面处萌生并向涂层表面扩展,硼化物、碳化物等硬质相不良分布以及脆性共晶组织提高了开裂敏感性;工艺参数对熔覆层的开裂敏感性具有较大影响。最终提出了激光熔覆Ni基合金涂层裂纹控制的基本策略。

为了实现块体和圆管的激光熔覆成形, 通过实验研究了扫描速度、激光功率和送粉速率对Ni25粉末单熔覆层的高度和宽度的影响规律, 建立了熔覆层高度和宽度分别与扫描速度、激光功率和送粉速率之间的对应关系。在此基础上, 根据对应关系, 选择优化的成形参数(扫描速度6 mm/s, 激光功率900 W, 送分速率0.1 rpm), 配合搭接率的计算(30%)和成形路径设计, 使用多层多道激光熔覆成形技术实现了块体和圆管的成形。使用扫描电子显微镜分析成形件的内部组织结构, 结果表明成形件内部组织致密, 成分均匀, 晶粒尺寸分布在18 μm左右范围内。

利用高功率光纤激光熔覆设备, 在Q235A钢表面制备了CaF2/Ni60复合涂层。采用着色渗透探伤法研究了激光扫描速度和CaF2对涂层的裂纹敏感性的影响, 并利用显微硬度计和摩擦磨损机考察了CaF2对复合涂层显微硬度和耐磨性能的影响。结果表明, 激光扫描速度和CaF2与涂层裂纹敏感性密切相关, 随着扫描速度的增大, 涂层表面裂纹敏感性增大; 随着CaF2比例的增加, 熔覆层表面的裂纹数量先减少后增加, 当w(CaF2)＝6.0%时, 激光熔覆层表面未出现裂纹; CaF2粉末改善了熔池的流动性, 使组织分布较均匀, 显微硬度波动性减小, 当w(CaF2)＝6.0%时, 涂层平均硬度为875 HV0.3, 约为基体硬度的5.3倍。Q235A基体的平均体积磨损量是Ni60＋6.0% CaF2涂层的4.7倍, 提高了涂层的耐磨性。

为解决耐火材料模具在使用中存在耐磨性差、寿命短、成本高的突出问题，采用对其表面进行激光熔覆处理，并对熔覆材料和工艺方法进行研究，进而对其熔覆层的深度、硬度及微观组织进行分析，并对熔覆层进行耐磨性试验。得出结论，使用镍基合金粉末对基体为Cr12MoV钢的耐火材料模具表面进行激光熔覆后，材料表面的耐磨性能得到了显著的改善，实现了使用低廉材料却可获得优质材料的使用性能的目的，从而降低了成本。