使用籽晶法通过调整降温速率生长出高质量4-N,N-二甲胺基-4′-N′-甲基-氮杂芪对甲苯磺酸盐(DAST)晶体，研究了降温速率对DAST晶体结晶质量、光学特性及太赫兹输出特性的影响。通过核磁共振分析表征了合成原料的结构和纯度。使用X射线衍射仪对生长晶体的(001)面进行X射线摇摆曲线测试，测试结果表明在降温速率为0.1 ℃/d条件下获得的晶体质量最佳，其摇摆曲线半高宽(FWHM)为57.6″。此条件下生长的晶体在780~1 576 nm波长范围内光透过率达65%。使用差频法从DAST晶体中产生了0.1~20 THz范围内的宽频可调谐太赫兹波，在18.8 THz处得到太赫兹波最大输出能量为0.477 μJ/脉冲，对应的能量转换效率达5.31×10-5。

This paper focuses on the preparation of a new extended set of calibrations of cooling rate (fictive temperature) in fused silica determined by inelastic light scattering and its subsequent use to characterize the local cooling rate distribution in ultra-short pulsed (USP) laser modification. In order to determine the thermal history (e.g. cooling rate and fictive temperature) of fused silica, high-resolution inelastic light-scattering experiments (Raman and Brillouin spectroscopy) were investigated. Calibrations were performed and compared to the existing literature to quantify structural changes due to a change of fictive temperature. Compared to existing calibrations, this paper provides an extension to lower and higher cooling rates. Using this new set of calibrations, we characterized a USP laser modification in fused silica and calculated the local fictive temperature distribution. An equation relating the fictive temperature (Tf) to cooling rates is given. A maximum cooling rate of 3000 K min?1 in the glass transition region around 1200 ?C was deduced from the Raman analysis. The Brillouin observations are sensitive to both the thermal history and the residual stress. By comparing the Raman and Brillouin observations, we extracted the local residual stress distribution with high spatial resolution. For the first time, combined Raman and Brillouin inelastic light scattering experiments show the local distribution of cooling rates and residual stresses (detailed behavior of the glass structure) in the interior and the surrounding of an USP laser modified zone.

采用有限元法对H13钢基体表面激光熔覆Stellite6钴基粉末的温度场进行了数值模拟。分析了不同功率、扫描速率和光斑半径对单道激光熔覆温度场分布的影响, 得出了最佳工艺参数为: 激光功率1 200 W, 扫描速率200 mm/min, 光斑半径2 mm。模拟了多道搭接温度场分布, 获得了温度梯度以及熔池边缘的冷却速率。结果表明: 多道搭接时, 前一道对后一道有着明显的预热作用; 垂直于扫描方向的温度梯度最大。采用优化的工艺参数进行了激光熔覆钴基合金实验研究, 获得了组织细小、致密且无缺陷的熔覆层。数值模拟结果与实验结果吻合较好。

合金法提纯是制备太阳能级多晶硅的工艺之一, 在Al-Si合金提纯多晶硅工艺中, 冷却速率对初晶硅的形貌和纯度都有重要的影响。本文对成分为Al-30wt%Si合金采用不同冷却速率进行处理, 分析初晶硅的形貌以及杂质含量的变化。结果表明, 随冷却速率的降低, 初晶硅的长度和宽度逐渐增加, 初晶硅收率逐渐增加, 并且在较低冷却速率下, 初晶硅晶粒的<111>择优生长更加明显。同时, 冷却速率对初晶硅中的杂质含量产生了显著影响, 在较低冷却速率下, 杂质的去除率较高, 并且有利于Ti和B杂质的去除。为了获得较高的收率和较好的杂质去除率, Al-30wt%Si合金杂凝固过程中的冷却速率应低于3 ℃/min。

激光直接金属沉积(Direct Metal Deposition, DMD)作为一种典型的增材制造方式通过利用激光作为热源逐层沉积金属粉末来制造三维零件。然而成型过程中的不稳定因素较多尤其是熔池温度、冷却速率等, 这些最终将导致成形件较低的宏观尺寸精度以及不均一的微观显微组织等进而严重影响零件使用性能。通过选用薄厚特殊基板, 利用比色高温计实时监测熔池温度作为闭环反馈信号, 通过建立基于PID控制算法的在线控制系统实时调节激光功率使得沉积过程中的熔池温度控制稳定, 并利用另外两台比色高温计定点逐层监测沉积层两端热历史并计算冷却速率。开闭环实验对比表明熔池温度稳定条件下层厚标准差降低了62%, 各位置晶粒表征参数标准差均得到降低。

采用激光熔覆技术制备了Cu80Fe20偏晶涂层,研究了扫描速率对液相分离特征以及偏晶涂层显微硬度、耐磨性能的影响。研究结果表明: Cu80Fe20偏晶涂层内出现了分层现象,大量由体心立方结构α-Fe、面心立方结构γ-Fe组成的富铁颗粒弥散分布于上层的面心立方ε-Cu基体内,大量面心立方ε-Cu富铜颗粒分布于下层的α-Fe基体内;随着激光扫描速率增大,激光熔池的冷却速率增大,富铁颗粒粒径逐渐减小,面密度逐渐增大,相邻富铁颗粒间的间距减小,富铁颗粒对铜基体的阴影保护效应增强,使得偏晶涂层的显微硬度与耐磨性能增加,且均优于黄铜。

采用激光熔化沉积方法制备了Ti6Al4V合金单墙体，研究了工艺参数对熔池尺寸稳定性、沉积层微观组织生长特性的影响。基于有限元模拟方法，计算了不同工艺条件下熔池的温度场及熔体的冷却速率。结果表明，在前几层的熔化沉积过程中，熔池尺寸会随基体散热条件的改变发生明显变化。对每层热量输入进行优化，可以准确控制熔池尺寸的稳定性。相比激光功率，扫描速度对沉积层定向生长特性及晶粒尺寸的影响更为显著，随着扫描速度的改变，沉积层组织很容易实现从柱状晶到等轴晶的改变。在本试验条件下，当熔池冷却速率高于135.3 ℃/s时，方可形成定向生长的柱状晶。

针对7050铝合金表面激光熔覆Al/Ti复合粉体，建立了三维瞬态温度场有限元模型，模拟了不同离焦量条件下的熔池大小、温度梯度、冷却速度及形状控制因子。结果表明，熔池宽度与深度尺寸随着离焦量数值的增大先增大后减小，在离焦量为20 mm时熔池宽度与深度都出现了最大值。沿熔池深度方向(即Z向)的温度梯度数值最大，散热条件最好，表明熔覆凝固过程中的晶粒生长方向主要集中在Z向。离焦量为40 mm时的冷却速度最大、晶粒细小，离焦量为80 mm时的冷却速度最小、晶粒粗大，且得到实验验证。离焦量为60 mm时的形状控制因子最大，金相组织出现柱状晶；离焦量为80 mm时的形状控制因子最小，金相组织主要为胞状晶，并有相应的实验验证。

被誉为“21世纪绿色工程材料”的镁及镁合金已成为继钢铁和铝材料之后的第三大金属工程应用材料, 但较差的硬度、耐磨损性及耐腐蚀性在一定程度上制约了它的广泛应用。采用最大输出功率5 kW的HUST-JKT5170型横流CO2气体激光器对AZ31B镁合金表面进行激光熔凝处理, 同时对熔凝层的正面和背面进行液氮极速冷却, 对该条件下的冷却速度进行计算, 并分别从显微组织、物相、显微硬度和腐蚀性能等方面对比分析了原始镁合金和极速冷却熔凝层。研究结果表明: 激光+液氮的冷却条件下, 熔化层的冷却速度v＝324.9 K/s; 熔化层冷却并凝固后没有裂纹、气孔等缺陷。微观上, 极速冷却的熔凝层的晶粒大小远小于原始镁合金, 且晶界已不明显; 与母材的过渡处微观组织呈现典型的白亮的平面晶形态, 从底部到顶部, 熔凝层的晶粒尺寸逐渐减小; 熔凝层主要由α-Mg相组成, 而β-Mg17Al12相的衍射峰强度相对于原始镁合金极大地弱化。主要受细晶强化作用, 极速冷却的熔凝层的显微硬度提高到140 HV0.05, 是原始镁合金(约50 HV0.05)的2.8倍。在质量分数为3.5%的NaCl(pH＝7)溶液中的电化学腐蚀发现, 该极速冷却条件下获得的熔凝层的腐蚀电流为3.889×10-4 A, 高于原始镁合金的1.470×10-5 A, 且腐蚀电位为-1.483 V, 低于原始镁合金的-1.438 V, 说明该极速冷速条件下熔凝层的耐腐蚀性能略差于原始镁合金。