针对球墨铸铁与合金钢异种材料焊接界面容易形成碳偏聚进而产生裂纹的问题，通过采用连续-脉冲同轴双激光焊接工艺及填充镍基合金焊丝，实现了QT500与20MnCr5的优质焊接。研究了同轴双激光中不同脉冲激光功率（360、400、440、480 W）对焊缝成形质量的影响规律，讨论了激光作用位置向钢侧偏移（偏移量）对焊接接头界面碳元素偏聚现象的影响机制，对焊接接头力学性能、金相组织及硬度分布进行了综合分析。结果表明：同轴双激光焊接工艺可用于球墨铸铁与合金钢的焊接，球墨铸铁侧的热输入对焊缝的成形质量及力学性能的影响较为显著；由于球墨铸铁侧莱氏体及马氏体的析出，断裂主要发生在该侧的熔合区；在保证熔深稳定的前提下，分别研究了不同偏移量（0.1、0.2、0.3 mm）对接头的影响，激光作用位置向钢侧偏移能够有效减小球墨铸铁侧的热输入，避免碳元素过度偏聚，力学性能得到相应的提升，断裂位置向热影响区移动，焊缝接头的强度得到优化。

利用能量色散X射线荧光光谱分析（EDXRF）技术与遗传算法优化的反向传播（GA-BP）神经网络对中低合金钢中Cr、Mn和Ni元素进行含量分析。通过能量色散X射线荧光光谱仪对六类中低合金钢标准样品做激发处理，获得X射线荧光光谱，使用两点法扣除背景，求得各元素对应K_α特征峰强度。利用所得108组谱线数据及其对应含量建立GA-BP神经网络，使用训练完成的GA-BP神经网络对另外36组中低合金钢样本含量进行预测，并将所预测结果与基本参数法分析结果和标准样品化学分析结果进行对比，Cr、Mn和Ni元素含量平均误差分别为0.0287%、0.0314%和0.0423%。实验结果表明，遗传算法优化的BP神经网络适用于EDXRF对中低合金钢中Cr、Mn和Ni元素含量的分析。

开展了440 MPa级船用高强钢激光-电弧复合焊接试验，研究了焊接速度对焊缝成形和低温冲击韧性的影响规律。结果表明，焊接速度对焊缝成形具有较大影响：焊接速度较小时，焊接热输入较大，熔池易塌陷；焊接速度较大时，由于激光能量密度不足，激光小孔熔透不稳定，焊缝底部易形成驼峰。随着焊接速度增大，440 MPa级船用高强钢激光-电弧复合焊接焊缝的低温冲击韧性呈先增加后降低的趋势：当焊接速度低于1.0 m/min时，焊缝的－40 ℃冲击吸收功较低，小孔型气孔是主要影响因素；当焊接速度为1.2 m/min时，气孔倾向小，焊缝的冲击吸收功达到了175 J；当焊接速度增加到1.5 m/min以上时，贝氏体含量较大，焊缝的低温冲击吸收功下降。

为了研究激光熔化沉积高性能合金钢构件的疲劳问题, 采用扩展有限元法和直接循环分析相结合的方法, 进行了典型件疲劳裂纹扩展路径的分析,并进行了剩余寿命的预测。通过中心裂纹拉伸(CCT)试样的疲劳试验获得了材料Paris公式中的参量, 并将其用于有限元模拟中。同时, 分别运用有限元模拟方法和试验方法研究了CCT、紧凑拉伸-剪切试样的裂纹扩展过程。结果表明,有限元法得到的裂纹扩展路径和疲劳寿命与试验结果吻合良好, 其中裂纹扩展路径偏转角的误差在16.54%以内, 疲劳寿命的误差在2.72%以内。该方法可以较好地预测激光熔化沉积高合金钢构件的疲劳裂纹扩展路径和剩余疲劳寿命, 具有一定的工程意义。

采用激光选区熔化技术制备24CrNiMo合金钢,研究不同扫描策略下成形件的显微组织、相组成和热疲劳性能。结果表明:24CrNiMo合金钢的显微组织由粒状贝氏体、马氏体和少量残余奥氏体构成。不同扫描策略下成形件的相组成均为α-Fe和少量γ-Fe,扫描策略对成形件相组成的影响较小。与旋转扫描策略相比,0°直线扫描策略下晶粒的生长具有较强的取向性;旋转扫描策略改变了相邻层间的散热方向,破坏了晶粒的外延生长模式,晶粒取向随机,显示出弱织构;0°直线扫描路径与热疲劳缺口的方向平行时,该扫描策略下的成形件具有最大的裂纹扩展速率,最终裂纹长度可达到1162 μm。热应力和氧化作用是热疲劳裂纹扩展的重要原因。

以镁合金/钢对接接头为研究对象,选用组合热源模型模拟激光诱导TIG电弧复合热源的作用,考虑激光与TIG电弧的耦合效应及Fe-Ni固溶区的形成,利用ANSYS软件对焊接温度场分布和热循环曲线进行模拟计算。结果表明:所得模拟结果与实验结果吻合良好,验证了所建热源模型的准确性及适用性;镁合金/钢对接焊接头的峰值温度可达2249 ℃,焊接高温作用于镍夹层及其邻近的钢母材,促进了界面的冶金反应及元素扩散,为Fe-Ni固溶区、高熔点AlNi相及双固溶体结构界面层的形成提供了温度条件;液态镁合金熔池停留时间为0.28 s,能保证其在钢侧进行充分的润湿铺展,实现接头的良好成形;在熔池的搅拌作用下,AlNi强化相弥散分布,使得镁合金焊缝的强度增大。

基于脉冲累积效应对纳秒激光精微烧蚀18Cr2Ni4WA钢进行传热分析, 并在MATLAB中进行温度场仿真; 采用波长为532 nm、脉宽为8 ns的纳秒脉冲激光对18Cr2Ni4WA钢进行烧蚀实验, 分析了脉冲累积下热传导过程; 采用单元素法分析激光能量密度、脉冲数对靶材表面几何形貌的影响规律, 并将靶材表面损伤区域分为激光烧蚀区域和热影响区域。实验结果表明: 烧蚀凹坑半径随脉冲数的增加而增大, 但半径的增大不是持续的; 在激光单脉冲能量40 mJ、10个脉冲数下, 靶材表面的机械划痕因质量流动而去除, 达到相对平整的形貌。本文对探索合金钢烧蚀特性有参考意义。

采用选区激光熔化(SLM)技术制备了24CrNiMo合金钢件,研究了SLM工艺参数对成形合金钢件显微组织、致密度、硬度及拉伸性能的影响。结果表明:成形合金钢的显微组织由回火马氏体和少量残余奥氏体组成;随着激光功率增大和扫描速度降低,熔池体积增大,冷却速度降低,回火马氏体板条粗化,热影响区变宽,合金钢的硬度降低;同时,成形合金钢内未熔合孔洞减少,致密度增加;当激光功率为320 W、扫描速度为750 mm/s时,合金钢的致密度最高,为99.93%;当激光功率为320 W、扫描速度为950 mm/s时,成形合金钢的拉伸性能最佳,其抗拉强度和屈服强度分别为1362 MPa和1252 MPa,延伸率为16.2%。在合适的激光成形参数下,SLM成形24CrNiMo合金钢的综合力学性能明显优于铸态合金钢。

采用激光增材制造技术制备了12CrNi2合金钢,其主要由铁素体基体和少量残余奥氏体组成,沉积层间热影响区边界明显,与沉积层内部组织相比,其内铁素体粗化而奥氏体减少。经过等温淬火热处理后,沉积态合金钢组织不均匀性消除,同时,强度亦得到明显提高。还报道了贝氏体组织形貌特征随等温淬火温度与时间变化的演化规律及其对成形合金钢屈服/抗拉强度与延伸率的影响机制,提出了获得综合力学性能最优的热处理条件。

无损检测技术是合金钢构件激光增材制造的重要技术支撑, 是保证激光增材制造产品质量和在役安全性的关键技术, 是贯穿产品全寿命安全保证的重要技术组成。金属激光增材制造合金钢件成形、组织和力学性能不同于传统技术制造构件性能, 使得无损检测技术面临诸多挑战。综述了激光增材制造合金钢成形质量特性, 包括成形缺陷和力学性能; 基于无损检测技术, 论述了无损检测技术在激光增材制造合金钢件质量评价中的应用, 重点论述了无损检测技术在激光增材制造构件缺陷和力学性能中的应用现状; 提出了基于超声和微磁检测技术评价材料力学性能的原理、标定方法和微磁传感器设计方案; 最后总结了无损检测评价技术在激光增材制造合金钢件检测评价应用中面临的挑战和发展趋势。