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。

以冷却速率为切入点, 研究激光热处理球墨铸铁过程中, 不同冷却速率、功率密度和交互时间对球墨铸铁硬化层的影响。通过理论计算, 利用不同的功率密度和交互时间获得了不同的冷却速率分布, 对QT600-3球墨铸铁进行激光表面热处理。结果表明, 在激光加工过程中各组参数表面温度在1 500~2 500 ℃, 并且实际冷却速率与理论计算相比误差在6 %左右, 各组硬化层中都能出现熔凝区, 但深度、硬度和晶粒分布均有不同。各组深度变化由0.5~0.8 mm, 显微硬度变化由800~ 1 100 HV0.1, 晶粒由混乱粗大到均匀细小。熔凝区显微组织和硬度值受冷却速率影响最大, 其他区域由于离表面的距离较大, 各组冷却速率均大幅缩减, 趋于一致, 所以硬度变化并不明显。硬化层深度与冷却速率呈正比关系, 随冷却速率不断增加而逐渐加大, 在保证激光能量密度相同的前提下, 功率密度较交互时间对硬度层深度影响更大。

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。

采用单辊旋淬法制备了快速凝固Cu-1.5%Be合金(Be质量分数1.5%)薄带。根据热传输平衡方程对快速凝固冷却速率进行了估算，并借助X射线衍射仪、扫描电子显微镜对该合金的微观结构及相选择进行了分析。结果表明：当辊面线速度在29.93~39.19 m/s范围内时，合金冷却速率可达到9.80×105~1.63×106 K/s；随着辊轮转速的提高和喷注气压的减小，合金条带厚度和晶粒度逐渐变小；随着冷却速率的增加，溶质截留效果显著，合金相结构由复相向单相转变，当辊面线速度达到34.54 m/s时,Cu-1.5%Be合金可形成过饱和的α-Cu固溶体组织，且组织细小均匀，可获得纳米晶；条带横断面显微组织由接近辊面一侧的细小等轴晶区、中间的柱状晶区和靠近自由表面的等轴晶区组成。

采用分子动力学模拟熔体旋淬技术的合金快淬过程，在不同的冷却速度下研究Ni-Co合金在快淬后的结构特征。模拟发现:Ni-Co二元合金的凝固过程对冷却速率的变化较为敏感，体系对形成非晶对冷却速率要求较高，约在80 K/ps以上，可以采用增加添加元素的方法来降低材料对冷却速率的要求；在75 K/ps的冷却速率下合金最终完全晶化，发生结构转变，而且在较低温度(375 K)下很明显。

Cold ⁸⁷Rb atom's loading in an integrating sphere with diffuse light is analyzed theoretically and experimentally. The experimental results show that diffuse light cooling has the greatest efficiency to cool the most atoms when the red detuning between the frequencies of cooling light and atom transition is about 3.3\Gamma (\Gamma is the natural linewidth, 6.065 MHz). Theoretical analysis using rate equation and numerical calculations on the cold atom number and loading time agree with the experimental results. This integrating sphere cooling would be a novel method for cooling atoms and lead to a new and robust cold atom source for atomic clock.