激光诱导击穿光谱技术目前已用于国内大科学装置EAST托卡马克壁诊断。 在真空环境下， 如何提升LIBS定量分析准确性是其进一步发展的瓶颈问题之一。 在真空中， 激光诱导等离子体具有高度时空非均匀性， 对等离子体时空演化行为的研究， 理解各个物种的演化规律， 是进一步改进LIBS定量分析准确性的重要内容。 针对托卡马克第一壁和偏滤器的材料相关的不同元素， 该工作在真空环境下利用波长为1 064 nm、 脉宽5 ns、 功率密度6.3 GW·cm-2的脉冲激光对三元合金-碳化钨铜((WC)70Cu30)进行烧蚀产生多组分等离子体， 使用线性阵列光纤实现了对发射光谱的时空分辨测量。 以三种元素C Ⅰ 833.51 nm， C Ⅱ 657.81 nm， Cu Ⅰ 515.32 nm， Cu Ⅱ 512.45 nm， W Ⅰ 429.46 nm， W Ⅱ 434.81 nm六条谱线为研究对象， 研究了激光烧蚀等离子体不同辐射机制的时间尺度以及多组分等离子体在扩张过程中发生的元素“空间分离”现象和“离子加速”现象。 根据连续背景和六条谱线的时间演化规律， 观察到连续辐射主要发生在等离子体膨胀早期80 ns内， 离子谱线在30～300 ns， 原子谱线在100～1 000 ns。 空间分辨实验研究发现， C、 Cu、 W元素对应原子及离子的空间分布均有所不同， 即真空中激光烧蚀多组分等离子体在扩张过程中发生了元素“空间分离”现象。 将六条谱线的峰值位置和时间进行线性拟合， 获得了对应物种的扩张速度， 其速度范围在4.2～34.9 km·s-1。 结果表明， 相对原子质量越小， 对应粒子的速度越快（C Ⅰ>Cu Ⅰ>W Ⅰ， C Ⅱ>Cu Ⅱ>W Ⅱ）; 对应元素的离子速度大于其原子速度（C Ⅱ>C Ⅰ, Cu Ⅱ>Cu Ⅰ, W Ⅱ>W Ⅰ）。 利用元素“质量分离效应”和“瞬态鞘层加速”的物理机制， 对激光等离子体元素“空间分离”以及“离子加速”现象进行了讨论和解释。 该研究结果为LIBS理论模型建立提供了重要的实验数据参考， 也为提高真空LIBS定量分析准确性提供了新思路。

为了研究复合涂层中碳化钨(WC)组织演变对裂纹产生的影响机理, 采用单层激光熔覆、过渡层梯度熔覆与双层熔覆制备 3种 Ni50A/WC复合涂层对比的方法, 分析涂层的形貌与组织、裂纹产生特点以及原因, 探究WC的组织演变对裂纹产生的影响。结果表明, 不同熔覆方法的WC组织演变对裂纹产生的影响主要由残余WC颗粒内部开裂形成裂纹源、硬质相元素引起成分偏析等作用组成; 双层熔覆、梯度熔覆涂层与单层熔覆涂层相比, 由于粉末吸收了更多的能量, 残余WC颗粒含量降低了32.7%与37.9%, 减少了涂层内部裂纹源; 共晶化合物的W元素质量分数也从单层熔覆涂层的0.534分别下降到双层熔覆涂层的0.417与梯度熔覆涂层的0.386, 降低了硬质相元素集中程度, 减少了涂层成分偏析, 降低了涂层开裂敏感性。该研究对改善激光熔覆复合涂层的开裂问题、提高复合涂层的成品率有一定的指导意义。

为研究相对较低含量(质量分数≤15%)碳化钨镍基合金涂层中碳化钨对涂层性能的影响, 采用激光熔覆技术在316L不锈钢基体上制备了不同碳化钨含量镍基碳化钨复合涂层, 表征其组织形貌, 同时对比分析不同碳化钨含量复合涂层的硬度、耐磨性。结果表明, 涂层熔道顶部搭接处存在明显的分界线, 分界线上侧为细小等轴晶, 下侧为粗大的柱状晶; 碳化钨颗粒周围微熔形成析出物, 同时在熔池底部有聚集趋势, 且随碳化钨含量增大聚集趋势增大; 镍基复合涂层硬度和耐磨性随添加碳化钨含量增大而提升, 15%质量分数碳化钨复合涂层相较于纯镍熔覆涂层硬度提高约12.88%, 摩擦因数降低约19.62%, 磨痕形貌显示低含量碳化钨复合涂层中硬质颗粒的耐磨支撑作用相对较弱, 复合涂层整体硬度提升是耐磨性能增强的主要因素。

为了解决激光粉末床熔化技术制备的钨材料中存在的裂纹问题,本文提出了一种通过原位反应形成亚微米尺度亚结构强化相的强化方式减少钨中裂纹的新思路。采用激光粉末床熔化技术成功制备了钨-5%(质量分数)碳化钽低合金钨块体,通过调整激光参数,钨-5%碳化钽块体的孔洞明显减少,裂纹密度相较纯钨显著降低。在钨-碳化钽中形成了大量形状不规则的亚微米级尺度的亚结构,通过微观组织分析在合金中发现了于增材制造原位反应过程中形成的碳化钨相,这些碳化钨相主要聚集于亚结构的胞壁处。钨-碳化钽的显微硬度(666 HV)较纯钨(400 HV)提高了约50%,证明在添加碳化钽后材料的本征强度得到了显著提高。

为增强42CrMo钢表面硬度及耐磨性,利用半导体激光器在基体表面制备了质量分数分别为0、10%、20%、30%及40% nano-WC粉末的Ni60增强涂层。采用OM、SEM、EDS、XRD对试样的微观组织与相成分进行表征,利用数显显微硬度计和高温摩擦磨损试验机进行力学性能及摩擦磨损性能测试。结果表明,nano-WC增强Ni60涂层表面成形良好。增强涂层的组织形貌呈条状、树枝状、鱼骨状、块状和粒状;物相以奥氏体Ni-Fe相为主,nano-WC一部分保留下来,一部分形成了W2C新相;涂层中还生成有Cr23C6、M6C、Cr7C3复合碳化物及CrB和NiW等复杂化合物。nano-WC增强涂层的显微硬度最大可达1256 HV0.2,比Ni60合金涂层提高了约50%。增强涂层的最小磨损体积为1.29mm 3,仅为Ni60合金涂层的1/7;增强涂层平均摩擦系数可低至0.275,而Ni60合金涂层平均摩擦系数为0.530,降低了约48%。摩擦磨损研究表明nano-WC增强涂层磨损机制主要为黏着磨损,同时还伴有轻微的磨粒磨损。

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。

研究真空环境对激光熔覆镍基碳化钨涂层组织、性能的影响。结果表明:在真空试验条件下,涂层的组织得到改善,涂层中的粗大树状晶减少,组织更均匀、致密;涂层中的微裂纹显著减少,涂层中几乎没有气孔缺陷;涂层中的金属间化合物可以更均匀地弥散在镍基固溶体中,显著提高了涂层的硬度;涂层的摩擦磨损性能得到明显改善,涂层的摩擦因数相对于非真空试验条件下的摩擦因数降低了约14%,耐磨性提高了约56%;真空试验条件有效提高了涂层的综合性能。

利用稳态磁场辅助激光熔注，在316L不锈钢基体上成功制备了碳化钨(WC)颗粒分布可调的WC/316L金属基梯度复合材料涂层。讨论了激光熔注时稳态磁场对复合材料涂层中硬质颗粒的分布和组织的影响。研究结果表明，稳态磁场可以抑制熔池流动，降低颗粒在熔池中受到的拖曳力，且随着磁场强度的增大，WC颗粒集中分布在复合材料表层的趋势增大；稳态磁场未改变复合材料层表面的物相种类，但表面的W相含量明显增多，且可使复合材料层表面的共晶组织数量增多、尺寸变大。

采用激光合金化技术在38CrMoAl钢表面制备了不同Y2O3质量分数的纳米WC/Co-Y2O3合金化层。采用X 射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、显微硬度计和摩擦磨损试验机，系统研究了Y2O3含量对合金化层组织和性能的影响。结果表明，不同Y2O3含量的合金化层主要是由马氏体、奥氏体、Fe3W3C和WC相组成。有所不同的是，随着Y2O3含量的增加，组织中Fe3W3C、纳米WC 和奥氏体的相对含量逐渐增加，而马氏体的相对含量则逐渐减少；而当Y2O3质量分数超过1.0%时，纳米WC 的数量开始降低，凝固组织略有粗化。受上述组织变化的影响，合金化层硬度与耐磨性随着Y2O3含量的增加而呈现出先增后降的趋势，即当Y2O3质量分数为1.0%时，合金化层具有最高的硬度和最佳的耐磨性能。