以TC4钛合金为研究对象，采用数值模拟与试验相结合的方式，研究了激光冲击TC4钛合金表面金属塑性变形和体积流动规律，分析了塑性变形驱动金属表层体积流动、应力重构、晶粒细化的机制。研究结果表明：激光冲击塑性变形使得光斑中心区域材料向着边缘及材料内部流动。整体塑性变形体积数值计算结果显示：当功率密度为1.58、2.25、3.02 GW/cm2时，表面凹坑体积大致等于内部正向变形体积与表面环状凸起体积之和，在无相变体积改变的情况下，试件整体塑性变形符合体积不变定律；不同激光功率密度作用下的表面残余应力分布与表面塑性变形分布规律大致相同，存在对应关系；表面凹坑变形、环状凸起变形、内部凸起变形各区域粒径尺寸分别为99、108、136 nm，晶粒细化程度在表面凹坑区、环状凸起变形区域、内部正向变形区域依次递减。此外，光斑边缘出现的微凸起变形在受到搭接激光冲击作用后，再次发生塑性变形，微凸起变形在冲击载荷方向被压回，向着材料内部流动；凹坑表面各光斑边缘处依旧存在较小的微凸起变形。
激光技术 TC4钛合金 激光冲击波 塑性流动 残余应力 晶粒细化 中国激光
2023, 50(16): 1602206
1 南京理工大学紫金学院智能制造学院，江苏 南京 210046
2 南京先进激光技术研究院激光装备及工艺技术研发中心，江苏 南京 210038
3 中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室，上海 201800
铝合金密度低、比强度高、耐腐蚀性能好，是一种优异的轻量化金属材料。为了提升激光选区熔化（SLM）技术成形铝合金的力学性能，提出将Cu元素作为单质颗粒掺入铝合金材料的强化方法，探究了Cu元素掺入比例对SLM成形铝合金打印质量和性能的影响。结果表明，Cu粉的掺入简单有效地细化了铝合金显微组织晶粒，提高了基础铝合金材料的拉伸强度。Al2Cu相能有效细化晶粒，在搭接区域形成更细密的微观等轴晶组织。随着铜粉掺入量的增大，组织内部生成的Al2Cu相逐渐增加，晶粒尺寸逐渐减小，从3.30 μm减小至2.12 μm，显微组织得到了细化。掺入质量分数5%铜粉的样件具有最高的拉伸强度为460 MPa，较未添加样件提高了20.4%，但是过量铜粉掺入后，样件内部因为存在未熔颗粒性能有一定程度的下降。该研究对于进一步提高SLM成形铝合金的力学性能具有重要意义。
激光技术 激光选区熔化 高强铝合金 显微组织 晶粒细化 拉伸性能 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0114012
1 南京理工大学受控电弧智能增材技术工信部重点实验室，江苏 南京 210094
2 南京理工大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210094
针对TiAl基合金激光焊接过程中出现的裂纹问题，利用扫描电镜(SEM)及电子背散射衍射(EBSD)等方法研究了TiN相对接头焊缝相变织构及晶粒细化的影响。研究结果表明：当焊缝中没有TiN相时，焊接接头成形良好且没有缺陷，焊缝组织主要为Burgers α2相，焊缝区域的完整凝固路径为L→L＋β→β＋α→α＋γ→α2＋γ；当焊缝中存在TiN相时，焊接接头产生了贯穿性裂纹缺陷，主要原因是TiN是一种脆硬相，在激光焊接过程中极易引发裂纹。焊缝组织主要由TiN枝晶相及non-Burgers α2相组成，同时TiN相和α2相之间存在一定的取向关系即。TiN相对焊缝组织有晶粒细化作用。焊缝区域的完整凝固路径为L→TiN＋L→TiN＋β→TiN＋α＋γ→TiN＋α2＋γ。
激光技术 TiAl合金 激光焊接 微观组织 相变织构 晶粒细化 中国激光
2022, 49(16): 1602015
1 1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 透明光功能无机材料重点实验室, 上海 201899
2 2.中国科学院大学 材料科学与光电工程中心, 北京 100049
3 3.上海师范大学 物理系, 上海 200234
Ce:SrHfO3陶瓷因具有高密度和高有效原子序数, 对高能射线具有很强的阻止能力。同时, Ce:SrHfO3陶瓷还具有快衰减和高能量分辨率等优异的闪烁性能, 引起了研究人员的广泛关注。由于传统的烧结方法难以实现非立方结构Ce:SrHfO3陶瓷的透明化, 本研究采用真空长时烧结和短时真空预烧结合热等静压烧结(Hot Isostatic Pressing, HIP)方法制备Ce,Y:SrHfO3陶瓷。以金属氧化物和碳酸盐为原料, 1200 ℃下煅烧8 h可以获得平均粒径为152 nm的纯相Ce,Y:SrHfO3粉体。1800 ℃真空烧结20 h获得平均晶粒尺寸为28.6 μm的不透明的Ce,Y:SrHfO3陶瓷, 而两步烧结法可以制备光学透过率良好的Ce,Y:SrHfO3陶瓷。本研究详细分析了陶瓷致密化过程中微结构的演变, 探究了预烧结温度对Ce,Y:SrHfO3陶瓷密度、显微结构和光学透过率的影响。真空预烧(1500 ℃×2 h)结合HIP后处理(1800 ℃×3 h, 200 MPa Ar)所获得的Ce,Y:SrHfO3陶瓷在800 nm处的最高直线透过率为21.6%, 平均晶粒尺寸仅为3.4 μm。在X射线激发下, Ce,Y:SrHfO3陶瓷在400 nm处产生Ce3+ 5d-4f发射峰, 其XEL积分强度比商用锗酸铋(BGO)晶体高3.3倍, Ce,Y:SrHfO3陶瓷在1 μs门宽下的光产额约为3700 ph/MeV。良好的光学和闪烁性能可以拓宽Ce,Y:SrHfO3陶瓷在闪烁探测领域的应用。
1 西安交通大学金属材料强度国家重点实验室, 陕西 西安 710049
2 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室, 陕西 西安 710049
在TC4粉中加入不同含量的硼粉进行激光增材制造试验,研究了硼对激光增材制造TC4钛合金微观组织及力学性能的影响。结果表明:添加微量硼可以有效细化原始柱状晶和晶内的板条α相;当硼的质量分数为0.05%时,原始β柱状晶的生长被限制,柱状晶的宽度明显减小;当硼的质量分数为0.1%时,原始柱状晶大量转变为等轴晶,晶内板条α集束的尺寸减小;对比没有添加硼的激光增材制造TC4,TC4-0.05B的塑性明显提高,但强度的变化不明显;沉积态和固溶时效态TC4-0.05B力学性能的各向异性都较小。
激光技术 激光增材制造 晶粒细化 钛合金 力学性能
1 南通大学 机械工程学院, 江苏 南通 226019
2 南通理工学院 机械工程学院, 江苏 南通 226002
3 香港理工大学 机械工程系, 香港 100077
4 南通中远海运船务工程有限公司, 江苏 南通 226006
5 江苏大学 流体机械工程技术研究中心, 江苏 镇江 212013
为研究激光冲击材料内部位错组态和晶粒细化的关系，用脉冲激光对690高强钢试样进行了冲击强化处理，采用扫描电镜和透射电镜分别获得了冲击后试样的扫描电子显微像和透射电子显微像、高分辨电子显微像，并对高分辨电子显微像进行快速傅里叶逆变换，从位错组态角度建立了激光冲击690高强钢晶粒细化模型.结果表明，690高强钢试样经功率密度为5.09 GW/cm2的激光冲击加载后，其材料内部位错增殖、表层晶粒细化，截面晶粒尺寸大小分布在80~200 nm；析出相与基体保持半共格关系，基体中分布着众多刃型位错、位错偶以及扩展位错等缺陷，其中位错偶是由带割阶的螺型位错运动形成；通过由位错、扩展位错、空位等构成的几何位错界面扩展交汇把原始大晶粒分割成细小晶粒；激光冲击690高强钢晶粒细化模型可以描述激光冲击690高强钢位错运动主导的晶粒细化过程.
激光光学 激光冲击强化 位错组态 690高强钢 晶粒细化 Laser optics Laser shock processing Dislocation configuration 690 high strength steel Grain refinement
为了解决纳米复合电沉积加工速率慢、颗粒易团聚以及沉积层表面质量差等问题, 采用构建高能脉冲激光辅助纳米复合电沉积的方法, 利用激光辐照产生定域微区搅拌, 缓解颗粒团聚现象, 加速电化学反应速率, 提高沉积层表面质量, 并对加工过程进行了有限元仿真和实验验证。结果表明,激光与电化学复合能够明显的提高复合沉积速率, 且激光的冲击作用能够提高晶粒的结合性, 进而促进镀层的致密化;同时此冲击作用也能降低纳米粒子的团聚几率, 细化镀层晶粒。此研究结果对电解加工技术的发展具有一定帮助。
激光技术 纳米复合电沉积 激光定域搅拌 加工速率 颗粒团聚 晶粒细化 laser technique nano-composite electro-deposition laser localized agitation processing rate particle aggregation grain refinement
1 中国科学院宁波材料技术与工程研究所, 浙江 宁波315201
2 中国科学技术大学纳米科学技术学院, 安徽 合肥230026
实验分析了不同工艺参数的激光冲击处理对5083铝合金力学性能的影响, 结果表明:与未处理试样相比(336.44 MPa, 99 HV), 经过激光能量密度4.47 GW/cm2与5.62 GW/cm2冲击处理后, 试样的抗拉强度分别提升至347.02 MPa与353.13 MPa, 硬度分别提高了17%与27%。同时, 晶粒的尺寸与未处理试样相比明显变小, 晶粒细化明显。综上所述: 激光冲击强化产生的塑性变形引起的晶粒细化能有效提高材料的抗拉强度与表面硬度。
激光冲击强化 5083铝合金 拉伸性能 表面硬度 晶粒细化 laser shock peening 5083 aluminum alloy tensile strength surface hardness grain refinement
江苏大学机械工程学院激光技术研究所, 江苏 镇江 212013
为了研究脉冲激光冲击效应对定域电沉积铜晶粒及其表面形貌的影响, 搭建了脉冲激光电化学复合沉积实验系统, 并进行了理论分析和实验验证。对沉积过程中的冲击效应进行了检测, 采用扫描电子显微镜观察沉积体的表面形貌。结果表明, 利用脉冲激光与电沉积液的相互作用, 可细化定域电沉积晶粒。此外, 激光能量增大时, 沉积体晶粒细化, 宽度增大, 沉积体表面形貌更加平整, 内部气孔减少。
激光技术 脉冲激光 复合沉积 冲击效应 阴极过电位 晶粒细化 表面形貌
江苏大学 机械工程学院 激光技术研究所, 镇江 212013
为了进一步揭示激光的热力效应对电化学沉积的强化作用, 构建了激光电化学复合沉积试验系统, 进行了理论分析和实验验证。采用激光循环往复的扫描方式照射沉积区域制备沉积层试样, 对沉积过程中的力效应和热效应进行测试, 最后采用扫描电子显微镜对沉积层的表面形貌和截面形貌进行观察对比。结果表明, 激光的热力效应能加快金属离子的还原反应, 促进晶核形成和晶粒细化, 在激光能量为0.2mJ(20kHz)时, 能获得良好的沉积速率(0.198mg/min); 在激光能量为0.4mJ(20kHz)时, 沉积层的拉伸强度性能较好, 达到256.38MPa。此研究结果对电解加工技术的发展是有一定帮助的。
激光技术 复合沉积 热力效应 表面形貌 晶粒细化 沉积速率 拉伸强度 laser technique composite deposition thermal-mechanical effect surface morphology grain refinement deposition rate tensile strength
