利用单束飞秒激光直接烧蚀技术在钛合金Ti-6Al-4V表面上大面积制备一致的微纳米结构,实现了金属表面光学性质的极大改变。在不同加工参数下获得了3类不同的特征表面结构,如亚微米波纹结构、波纹覆盖的微凸起结构以及多孔结构,并且这3类表面结构特征分别对应着不同的视觉效果,使得钛合金表面分别展现出“彩色”、“蓝色”和“黑色”。初步探讨了不同表面结构特征的形成原因,以及该结构在改变金属表面光学性质中的作用。

采用157 nm波长准分子激光,对LED-GaN半导体薄膜进行了刻蚀试验研究。探讨了GaN基半导体材料的基本刻蚀特性和刻蚀机理。结果表明,157 nm激光在能量密度高于2.5 J/cm2时,刻蚀速率可达50 nm/pulse以上。以低于16 Hz脉冲频率和高于0.25 mm/min的扫描速度进行激光直写刻蚀时,可以获得Ra30 nm以下的表面粗糙度。采用扫描刻蚀方法,可以加工出75°左右的刻蚀壁面。实验也证明157 nm激光在三维微结构加工方面具有较大的潜力。单光子吸收电离引起的光化学反应是157 nm激光刻蚀GaN基材料的主要机理。

采用输出功率10 W的355 nm紫外激光器对4层柔性线路板(FPC)进行了盲孔加工实验。分析了紫外激光与铜箔和聚酰亚胺(PI)相互作用的过程和机理,并模拟出在一定条件下紫外激光与聚酰亚胺和铜箔相互作用时的单脉冲刻蚀深度。研究了不同加工方式对加工质量的影响,得到优化工艺参数为:第一次采用加工功率3.9 W,频率80 kHz,第二次将加工功率降到1.4 W,其他参数不变,此时加工盲孔的效果最为理想,重铸层粗糙度为0.88966 μm,孔底粗糙度为1.063 μm。给出了孔底表面的扫描电镜(SEM)图和针式台阶仪测量的盲孔底面三维轮廓及切面二维轮廓图。

采用高速摄像机、电流电压采集仪及光谱分析仪分别研究低功率YAG激光-熔化极气体弧焊(GMAW)复合焊接过程中的电弧形态、电压特点及局部电子温度、密度变化。在此基础上,运用等离子体热力学平衡理论分析复合焊接电弧等离子体的行为特征。试验表明,低功率YAG激光吸引、压缩GMAW电弧,提高电弧局部区域的电子温度至(15400±900) K,电子密度至(1.265±0.101)×1017cm-3,降低了GMAW热源输出电压,促进了焊接电弧等离子体局部热力学平衡(LTE)的建立。

焊接是管线建设的关键技术之一,随着我国管线钢的快速发展,越来越需要匹配的焊接技术来满足管线的建设。分析了激光焊在管道焊接中的优缺点,并采用高功率激光焊接设备,对板厚为16 mm的X52管线钢进行焊接,X射线探伤检测焊缝无裂纹,采用光学显微镜分析了焊接接头的焊缝结晶特性和微观组织。根据美国石油学会标准API SPEC 5L管线钢规范,对焊接接头进行了力学性能试验。结果表明:焊接接头的抗拉强度达480 MPa,断于母材;180°接头弯曲未出现裂纹;-20 ℃焊缝金属冲击韧性CVN=279 J,熔合区冲击韧性CVN=282 J,热影响区冲击韧性CVN=212 J,焊接接头的最大硬度分布在焊缝下部,为270 HV左右。研究表明,各项性能均满足管线钢焊接的要求。

简要介绍大型钛合金结构件激光直接制造的技术特点及其在航空航天等工业装备中的应用前景,重点报道大型钛合金结构件激光直接成形制造工艺、内部质量控制和应用研究进展。深入评述大型钛合金结构件激光直接成形制造技术发展面临的问题及其热物理、熔池非平衡冶金动力学、内部组织快速凝固和内部缺陷控制的复杂性。指出零件“变形和开裂”预防和“内部质量”控制是目前制约该技术发展和应用的关键“瓶颈难题”,只有加强对零件“内应力演化规律与变形开裂行为”及“凝固组织形成规律及内部缺陷形成机理”等基础问题的研究和认识,才能有效解决上述瓶颈难题。

采用激光立体成形(LSF)技术制备了Ti-6Al-4V平面应变断裂韧度(KIC)试样。沿沉积高度方向,沉积态组织呈现典型的β晶粒外延生长特性,β晶粒的平均宽度约为100-400 μm,长度可达若干厘米,β晶粒内由细密的针状α及α+β板条组成。Ti-6Al-4V激光立体成形沉积态试样的KIC≥52.6 MPa·m^1/2,达到锻件标准要求,不过,由于沉积态的组织特征,KIC具有典型的各向异性,与拉伸性能所表现的各向异性一致。β晶内细密α+β编织的魏氏组织的抗裂纹扩展能力较强,使得裂纹扩展对β晶界非常敏感。当裂纹扩展面垂直于β晶界时,KIC最高;在裂纹沿β晶界扩展的情况下,单位面积内的晶界长度越长越曲折,则KIC越高。裂纹扩展方向与β晶界的夹角(0-90°)越大,β晶粒越细小,裂纹扩展越困难。

在保护气氛下,通过激光熔化同轴输送的TA12钛合金粉末,在TA15钛合金基体上逐层沉积制备出TA12钛合金薄壁样,分析了所沉积材料的微观组织、相组成及力学性能。结果表明,激光熔化沉积的TA12钛合金的内部组织致密,沉积材料与基体为完全冶金结合;激光熔化沉积TA12钛合金为等轴晶组织,晶粒内部为不同取向的细小片层α相与少量β相组成的网篮状魏氏组织,随着激光功率的增加,原始β-Ti晶粒的尺寸稍许增大;沉积状态下沿激光扫描运动方向室温及550 ℃高温下的拉伸强度均达到了退火棒材的要求。

研究了热处理对激光立体成形(LSF)Inconel 718微观组织和力学性能的影响规律。结果表明,激光立体成形Inconel 718经直接时效(DA)处理后,与沉积态相比,组织特征变化不大,具有较强生长取向性的外延枝晶组织特征,硬度和拉伸强度均明显提高,而经均匀化、固溶和双级时效(960STA)热处理后,枝晶间Laves相颗粒完全固溶,Nb偏析降低,细针状δ相沿晶界析出,合金性能得到进一步改善,室温、高温拉伸强度和塑性都达到了高强锻件的技术标准Q/3B 548-1996(高强)。DA状态下合金断口形貌与沉积态相似,韧窝具有沿列状枝晶取向排布的各向异性特点,而经过960STA热处理后,各向异性现象消失。

针对金属材料的激光立体成形 (MLSF)工艺,利用大型有限元分析工具Ansys的二次开发语言APDL,开发了成形过程温度场、应力场的参数化有限元模型。该模型综合考虑了随温度变化的材料非线性、高斯激光能量分布、对流/辐射换热边界条件、相变以及自由变形约束等一系列问题。通过使用过渡网格划分技术,在提高计算精度的基础上,大幅减少了单元数目,从而实现了金属激光立体成形过程的整体建模。采用移动热源和单元生死技术,对激光成形过程热应力场进行了有效仿真,在准确计算温度场演化规律的基础上,揭示了塑性压缩区、塑性拉伸区、卸载区等热应力场产生的原因。使用该参数化模型便于研究金属激光立体成形工艺条件、不同材料等对成形过程热应力场的影响。

在装备200 W光纤激光器的快速成型设备Dimetal-280上进行选区激光熔化(SLM)成型工艺研究。为了优化316L不锈钢粉末的成型工艺参数,设计了6因素5水平正交实验进行工艺实验,总结出6种典型表面形貌,并测量了6种典型表面形貌对应样品的相对密度与z轴方向尺寸精度。分析发现,粉末熔化完全后样品能获得较高的密度,而当粉末部分熔化或未熔时,样品密度比较低;实际加工层厚在成型过程中有逐渐增大的趋势,影响了样品最终的尺寸精度。综合考虑表面形貌、样品相对密度与尺寸精度的影响,获得优化的工艺参数,设计了包含尖角、悬空等独立几何成型性能的样品测试系统,几何样品相对密度达89%,尺寸精度96.8%,表面粗糙度Rz约25 μm,获得了良好效果。

探讨了加工参数对激光熔覆孔隙率的影响。在实验上运用激光熔覆法对烧结件进行堆栈加工,探讨激光功率对熔覆后试件孔隙率的影响。在数值分析方面,以自行编写的数值分析程序,分析激光熔覆过程中因粉末温度产生的表面能差异对孔隙率的影响,比较计算与实验测量结果,发现具有一致性。旨在说明激光功率引发的表面能差异将对熔覆试件孔隙率造成影响,所得到的实验及数值分析结果可为后续研究提供依据。

早期的核设施回路管道采用316L不锈钢,在核辐射条件下经过长时间的运行,面临着严重的晶间应力腐蚀隐患,提高核设施耐晶间腐蚀已经成为核电站需要解决的重要问题之一。材料的Cr含量对抵抗晶间应力腐蚀有明显作用,用CO₂和Nd∶YAG两种激光熔覆高Cr含量的Inconel 690合金,研究了获得高Cr熔覆层涉及的稀释率控制,激光波长、光束分布、工艺参数对稀释率的影响,熔覆层微观组织和耐腐蚀性能。研究证明,矩形光斑比圆形高斯光斑更容易获得低稀释率的涂层,高Cr含量能获得更好的耐腐蚀性能;Nd∶YAG激光比CO₂激光更容易获得高耐腐蚀熔覆层。

高功率半导体激光器(HPDL)是新型先进装备,且体积小、电光转换效率高,在材料制备和加工方面具有良好的发展前景。使用3 kW高功率半导体激光设备,采用同步送粉的方式,在304不锈钢基体上制备絮状WC-Ni基超硬复合材料,获得了与基体冶金结合且无气孔和裂纹等缺陷的熔覆层。使用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射(XRD)对激光熔覆层进行组织、成分及物相表征。研究结果表明,采用半导体激光进行熔覆可获得WC较高质量分数(60%)且稀释率很低的WC-Ni超硬复合材料。激光熔覆WC-Ni基超硬复合材料的组织主要是γ-Ni,WC,W2C,Ni3B,CrB2等物相组成。激光熔覆层的硬度不均匀,其平均值为HV 1100,远高于基体硬度HV 350,过渡区处硬度呈很窄的梯度分布。

采用激光熔覆技术在镁合金表面制备了Ni基合金+WC复合陶瓷涂层,并对不同WC含量下的复合涂层进行了成分和性能分析。研究结果表明,激光熔覆涂层与基体之间获得了良好的冶金结合;涂层主要由AlNi3,Al3Ni2金属间化合物以及Ni(Cr2O4)和多种碳化物组成;质量分数为25%WC的加入减少了涂层中孔隙和裂纹的存在,与基体相比,涂层的硬度提高了约9.4倍,弹性模量提高了约2.06倍;耐蚀性也得到了明显提高。

采用在Ti-6Al-4V基体表面预置Ti-6Al-4V和硼、碳粉末按比例的混合粉,通过激光束扫描原位制备以钛的硼化物及碳化物为陶瓷相增强颗粒的钛基复合涂层。研究了单道及多道搭接激光工艺参数,包括脉冲频率、脉冲宽度、激光功率、激光扫描速率、预涂层厚度等对复合涂层显微组织及性能的影响。对熔覆样品横截面采用光学显微镜(OM),扫描电镜(SEM),X射线衍射仪(XRD)及显微硬度计等进行分析。优化的单道扫描工艺参数为:脉宽3.0 ms,脉冲频率15 Hz,激光线能量约11 J/mm。在此参数下进行多道激光搭接扫描,在Ti-6Al-4V基材上原位生成含有硼化钛及碳化钛硬质增强相及粘接相Ti-6Al-4V的钛基复合涂层,其复合增强相尺寸细小,在涂层中总体上分布均匀;形成的钛基复合涂层没有裂纹与气孔,与基体结合良好,多道扫描样品的显微硬度最高达800 HV,是基材硬度的2倍。优化参数下多道搭接样品的磨损量不到基体磨损量的21%。

利用横流CO₂激光器在钛合金表面制备出原位自生TiB体系陶瓷增强Co基复合涂层,以改善材料表面的综合性能。分析表明,涂层中存在β-Ti,γ-Co,TiB和TiB2陶瓷硬质颗粒相,以及CO₂Ti硬质相。利用扫描电镜(SEM),电子探针微区分析(EPMA)对涂层微区组织结构进行研究。结果表明,涂层中原位生成的TiB2和TiB陶瓷颗粒相均匀分布在γ-Co基合金涂层中。随着Ti,B含量的增加,激光熔覆原位生成物的组织形态发生相应的变化,熔覆区组织由细小分散的片状和块状转变为柱状枝晶组织,取向规则,分布均匀。通过摩擦磨损实验对涂层的耐磨性进行评价,发现激光熔覆后涂层磨损量仅为基体材料的1/10左右,耐磨性得到显著改善。

以Ni-Si-Nb-C混合粉末作为预置合金,采用横流CO₂激光器进行激光熔覆处理,在高温合金表面制备原位合成NbC颗粒增强Ni3Si复合材料涂层。结果表明,采用合适的激光熔覆工艺参数,可获得NbC颗粒增强的以Ni3Si金属间化合物及γ-Ni固溶体为主要组成相的复合涂层。尺寸约在2-4 μm的NbC颗粒弥散分布,与复合材料基体润湿良好,熔覆层致密,组织细小,与基材呈良好的冶金结合。晶体结构及动力学生长过程决定了NbC以不同的生长形态出现。

为提高碳钢表面抗磨损性能,采用钛铁、钼铁、石墨、铁粉等组分,利用激光熔覆技术,在低碳钢板上制备了致密、无孔隙、与基体呈冶金结合的原位自生TiC-Mo2C颗粒增强Fe基熔覆层。利用金相显微镜,X射线衍射仪(XRD),电子探针微区分析(EPMA)及显微硬度计,研究了熔覆层的显微组织及性能,讨论了强碳化物形成元素对涂层性能的影响。研究结果表明,熔覆层中原位生成了TiC-Mo2C增强颗粒,碳化物呈颗粒状、十字花瓣状均匀地分布在基体中,当钛铁、钼铁和石墨的质量分数分别控制在30%40%,3%6%,3%4%时,涂层具有较好的硬度和良好的耐磨性。

为了提高碳钢的表面性能,在45#钢表面制备Ni-P-纳米Al₂O₃化学复合镀层,再通过脉冲Nd:YAG激光对镀层表面进行强化处理。利用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)观察镀层在脉冲激光处理前后的表面形貌与截面微观组织,利用X射线能谱仪(EDS)对截面进行元素分析,用X射线衍射仪(XRD)对脉冲激光处理前后镀层进行物相分析,用显微硬度计测量镀层截面硬度分布。结果表明,镀层经脉冲激光处理后,由表及里分为树枝晶区、胞晶区、柱状晶区、熔合区、热影响区(HAZ),并与基体形成冶金结合;镀层由非晶态转变为晶态,生成Al5FeNi,FeNi及Fe0.64Ni0.36等金属间化合物;强化层最高硬度较未经激光处理的复合镀层提高1.7倍,较基体提高4.5倍,这是硬质相粒子弥散强化及马氏体相变强化综合作用的结果。

针对采用CO₂激光和三维(3D)激光切割机切割镀锌钢车身覆盖件时,上、下坡和转角处易发生碰撞和过烧等问题,提出相应改进措施。通过添加工艺点,调整切割头方向,使其偏离法线方向一个角度可以消除碰撞。实验发现,为获得切缝质量好、切割精度高及热影响层小的3D切割工件,应尽可能使切割头位姿改变时光束入射角小于20°。通过降低激光功率、采用脉冲激光并减小占空比或采用空气作为辅助气体等能有效避免上、下坡和转角处切割时产生过烧。同时,从切缝宽度、切割面粗糙度、切割面波纹及热影响层宽度等方面对3D切割工件质量进行了评定。

提出了一种在五轴激光切割中激光头与工件干涉检查并对激光头姿态进行修正的方法。采用STL模型对激光头进行模型化,并将其分为凸型和凹型两种类型;利用工件STL模型的离散点与激光头各三角面片法向量位置关系找出干涉区域;给出了通过旋转激光头来消除干涉并利用一系列切平面切割激光头来计算临界旋转角的方法;采用VC++和OpenGL完成了算法的系统实现。算法应用实例表明,该方法能够很好地检查出激光头和工件的干涉区域,并能够修正激光头的姿态以避免干涉,整个检查与修正过程稳定可靠。

为研究超二氧化锆(ZrO₂)陶瓷的冲击增韧特性,利用能量为35 J的激光脉冲对ZrO₂陶瓷试样进行冲击试验,并对试样进行扫描电镜(SEM)检测。结果表明试样表面产生了约90 μm厚的无裂纹的致密层,后表面出现了层裂破坏,在非致密层内则产生大量微观裂纹,微裂纹密度越靠近试样后表面越大。X射线物相分析结果表明部分材料发生了从四方相到单斜相的冲击相变,而这一相变过程会导致组织体积增加。发生在裂纹尖端的冲击相变因体积增加产生残余压应力,阻碍裂纹的扩展,使裂纹具有非扩展性。大量非扩展性微裂纹的存在可提高ZrO₂陶瓷的冲击韧性,利用10 J能量的激光脉冲对试样进行多点冲击预处理,然后利用42 J的激光脉冲对试样进行冲击,结果表明预处理后的试样后表面仅出现层裂倾向,而没有发生层裂破坏。说明激光冲击预处理达到了增加冲击韧性的目的。

利用输出波长为1.054 μm,脉冲宽度为20 ns的激光,对表面涂覆硅酸乙酯吸收涂层的2A02铝合金进行了冲击强化和疲劳试验。通过对冲击处理前后材料的微观组织、硬度和疲劳寿命的比较,分析了激光冲击处理对2A02铝合金材料疲劳行为的影响。结果表明,激光冲击强化可使2A02铝合金表面残余压应力达到120 MPa以上,强化层深度达1.5 mm,疲劳寿命为未经激光冲击强化处理试样的1.835-2.882倍。对合金疲劳试样断口微观形貌的扫描电镜(SEM)分析结果表明,疲劳断口由疲劳源、疲劳区和瞬断区组成,经激光冲击强化的试样疲劳源移向激光强化层以内,残余压应力有效地延迟疲劳源区的裂纹萌生,减缓疲劳裂纹的扩展速率,“循环硬化”有效抑制或减少了二次裂纹的产生,使激光冲击2A02铝合金的疲劳寿命得以大幅提高。