激光辅助近场纳米制造是利用近场聚焦激光束突破衍射极限对材料进行加工,使其发生纳米域内的相变或爆炸,从而制造纳米级材料和复杂结构的技术。基于探针的激光辅助近场制造技术是激光辅助近场纳米制造的一大分支。加工域内原位光场、温升、应力以及材料结构演变是纳米加工动态过程中的重要信息,有助于深入理解纳米加工过程多物理场相互作用的物理机制,以及进一步优化加工过程控制。本文主要综述了基于扫描探针显微镜探针针尖的激光辅助近场纳米加工中光场、温度场、应力场探测的实验和结构演变的理论计算工作。

纳米材料具有特殊的化学特性,在光电子、催化、医药、**等领域展现出了广阔的应用前景。激光液相烧蚀法(PLAL)是当前纳米粒子制备领域的研究热点之一,其利用脉冲激光在液相中创造出超高温、超高压的环境,通过改变脉冲激光的波长、脉宽、频率以及溶剂、靶材的种类等,来达到控制纳米粒子形态和尺寸的目的。本文介绍了激光液相烧蚀法的基本原理,综述了激光液相烧蚀法制备金属纳米粒子、金属氧化物纳米粒子、合金纳米粒子以及非金属纳米粒子的最新研究进展,总结了纳米粒子制备过程的影响因素和产物的性能。基于国内外研究进展,提出了激光液相烧蚀法制备纳米粒子的改进方向。

超窄间隙激光填丝焊(Ultra-narrow gap laser welding,Ultra-NGLW)是一种先进的厚贝氏体钢焊接技术。通过数值模拟和X射线衍射法,分析了超窄间隙激光填丝焊接头残余应力的分布和变化,结果表明:在不同厚度(20 ,50 ,70 mm)的超窄间隙激光填丝焊接头的表面,残余应力均呈“W”形分布。利用微型剪切试验,分析了显微组织对接头残余应力的影响:熔合线处形成的马氏体脆硬组织使接头形成了“软-硬-软”的夹心组织,导致接头的应力分布与一般的焊接接头不同,而多层填丝焊的特殊工艺导致接头中间层的应力增加。

以球磨TiB2和Ti-6Al-4V混合粉末为原料,采用选区激光熔化(SLM)技术制备了增强相为TiB的钛基复合材料,分析了B元素含量对SLM成形钛基复合材料显微组织和力学性能的影响。研究结果表明:在SLM过程中,TiB2与Ti元素发生反应生成针状TiB增强相,B元素含量较高的试样中出现了针状增强相聚集的现象;由于B元素的存在,钛基复合材料中的α相明显细化;相比于传统的Ti-6Al-4V合金,TiB/Ti-6Al-4V复合材料的显微硬度、抗拉强度以及屈服强度均有明显改善。钛基复合材料优异的力学性能归因于TiB增强相的硬化、强化效应以及基体的晶粒细化。当B元素的质量分数为0.5%时,α片层的平均尺寸为0.49 μm,钛基复合材料的抗拉强度和屈服强度相比于Ti-6Al-4V分别提高了25.7%和30.8%,抗拉强度为1396.4 MPa,屈服强度为1322.2 MPa。

分别采用毫秒级和纳秒级脉冲宽度的激光对2024铝合金表面环氧油漆涂层进行激光清洗实验,使用高速摄像机对激光清洗过程进行监测,分析了清洗后试样表面的宏观与微观形貌。结果表明这两种激光在合适的工艺参数下均能有效去除涂层,获得清洁的基材表面,但二者的除漆特性有较大区别。纳秒脉冲激光除漆的能量效率远高于毫秒脉冲激光。经毫秒级CO2激光清洗后试样表面残留一层黑色炭灰,该物质为油漆涂层的燃烧产物,清洗过程中基材表面不容易发生熔化。纳秒脉冲激光清洗过程中产生了较强的等离子体,有大块的漆层碎片从基材表面剥离,当激光功率高于250 W时基材表面发生明显重熔。结合热弹性振动模型与热传导模型,对两种激光除漆过程的物理机制进行了探讨,发现毫秒脉冲激光除漆的主要机制为气化与燃烧效应,而纳秒脉冲激光除漆的主要机制为热弹性振动效应。

在30CrMnSiNi2A高强钢基体上进行多层激光熔覆,研究各层熔覆热循环对基体组织与力学性能的影响。结果表明:在组织方面,熔覆盖面层时均对基体重新淬硬,由于已沉积熔覆层会吸收激光热量,故基体淬硬深度会随着层数的增加而逐渐减小,淬硬深度减小至对基体不能完全奥氏体化时,出现了不完全淬硬现象;继续增加熔覆层数,熔覆层不再重新淬硬基体,产生了回火作用。多层熔覆时每一层均对基体有回火作用,随着层数的增加,基体马氏体板条束间残余奥氏体首先分解,接着碳化物逐渐析出,马氏体板条粗化变宽、块状化,直至板条状马氏体特征消失,完全转变为索氏体组织。在力学性能方面,随着层数增加,基体热影响区试样变化趋势为抗拉强度逐渐降低、冲击韧性逐渐升高。由于激光快速加热,首层熔覆对基体回火残余奥氏体分解不明显,次层或后续层熔覆对基体残余奥氏体产生明显的分解作用,故残余奥氏体相减少,造成拉伸延伸率、冲击韧性均略有降低。随着熔覆层数增加,基体热影响区拉伸延伸率增加,拉伸断裂沿高温回火区启裂、扩展;熔覆层数继续增加,直至对基体产生不完全淬火时,拉伸断裂可分别在不完全淬火区、高温回火区多点启裂、扩展,拉伸塑性变形协调性下降,造成基体热影响区试样延伸率显著下降。

利用光纤激光器切割1 mm厚铜-钢-铜层合板时,会出现反射率高、氧气辅助切割表面氧化严重及板材切割后切缝宽等问题。提出了激光预处理法,通过控制能量输入和氧化反应,材料表面产生了浅层熔化,从而预处理区域的元素构成、形貌及物化性质得到改变。最终获得了缝宽小于光斑直径的狭缝光栅试件。利用IPP软件对预处理后浅层熔化区域内的氧化物分布进行了测定,并计算了氧化物面积占浅层熔化区面积的比例。利用预处理法,获得了满足质量要求的狭缝光栅件,切割后的热影响区大大减小且背面无挂渣,切割前后覆层铜材料的性质得到保护,光纤激光切割铜-钢层合板的质量得到保证。

采用激光熔覆技术成功制备了Inconel 625/WC-12Co复合涂层,对添加有WC-12Co(质量分数为5%、10%、15%)复合涂层的物相成分、微观组织、显微硬度和摩擦磨损性能进行了研究。结果表明:WC-12Co颗粒在涂层中分布均匀,大部分呈完整球形形态,仅有少部分发生了熔解;随着WC-12Co添加量的增加,复合涂层的组织明显细化,涂层中有多种碳化物产生,主要包括NbC、M23C6;未熔化的WC-12Co颗粒抑制粗大柱状晶的生长,WC-12Co颗粒周围以等轴晶和短的柱状晶为主,Mo、Nb两种元素在晶界发生了明显偏析;复合涂层的显微硬度从264 HV0.2逐渐增加到308 HV0.2,磨损率从10.5004×10 -4mg·m -1降低至0.5768×10 -4mg·m -1。故WC-12Co的添加可以显著增强Inconel 625基复合涂层的耐磨性能。

采用激光熔化沉积法制备AlCoCrFeNi2.5高熵合金,通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪、电子背散射衍射技术和力学拉伸测试研究合金的凝固组织、元素分布和力学性能。研究结果表明,通过激光熔化沉积法制备的AlCoCrFeNi2.5高熵合金的微观组织为外延生长的柱状枝晶,其由一次和二次枝晶干处的面心立方(FCC)相与枝晶间隙处的体心立方(BCC)相组成。拉伸结果表明,在激光沉积方向,合金的抗拉强度达到1428 MPa,延伸率为25.8%。断口形貌显示出在 FCC 相区域观察到了大量的滑移轨迹,而位于枝晶间隙处的硬质BCC相能够有效阻碍滑移的扩展,使得FCC相中的位错密度进一步提高。拉伸变形过程中,合金内部组织中的FCC相与BCC相的耦合协同作用,可以促使AlCoCrFeNi2.5高熵合金表现出优异的综合力学性能。

为了对光斑图像进行精确分类,提出优化的级联支持向量机(SVM)分类器。首先通过SVM分类器并采用质心特征对光斑进行一级分类,得到一类被正确地分类到相对应的运动状态,称为R光斑,其中包括一级拖尾方向为左上(UP)光斑和一级拖尾方向为左下光斑(DN),另一类被错误分类,称为E光斑。然后,对一级DN光斑进行叠加并求取均值,得到均值光斑。为了进一步得到标准模型使其与每个一级DN光斑相似度尽可能最大,将均值光斑放入GAN中进行训练。最后,利用结构相似度计算E光斑与标准模型的相似度,对E光斑进行二级SVM分类,产生二级UP和DN光斑。将其与一级光斑合并,则为最终的分类结果。对功率分别为10,20,50 mW下的光斑图像进行分类,对应的分类精度为100%、100%和98.5%。相比于传统的分类方法,对应的分类精度提升5~9个百分点,12~16个百分点和9.0~15.5个百分点,说明该分类器具有明显的优越性。

针对异种材料激光拼焊接头焊后存在明显的塑性差异问题,提出了一种随焊同步热场方法。通过同步热场与激光焊接热源的耦合,调控焊缝及热影响区金属的冷却速度,对熔池的结晶凝固行为和相变过程进行热力学干预,缩小各区域塑性梯度的阶跃值,使拼焊板各区域的塑性性能趋于连续一致。以高强硼钢/Q235钢激光拼焊板为对象,分别对常规和随焊同步热场条件下的整体拼焊接头及焊缝两侧各微区域进行了高温拉伸试验,研究了温度为300~600 ℃时随焊同步热场对激光拼焊接头塑性行为的影响。结果表明,随焊同步热场条件下焊缝及两侧组织绝大部分为铁素体和珠光体,马氏体明显减少,整体拼焊接头的塑性较高;且随焊热场温度越高,整体接头的延伸率就越高。随着随焊热场温度的升高,焊缝及热影响区与母材各界面处的塑性应变差异逐渐变小,接头各区域的变形也更协调,在600 ℃随焊热场条件下得到的焊接接头各区域塑性梯度最小。

镍基单晶高温合金叶片的表面缺陷修复是实现其制造及延寿技术的关键,也是材料物理与化学学科的热点研究问题。提出了一种激光熔凝二次旋转基体修复单晶合金的新方法,采用实验与理论模型相结合的方式,以DD6镍基高温合金为研究对象,探究了绕[010]方向旋转45°、再沿[001]方向旋转不同角度ξ时不同晶向区域的分布变化规律。实验结果表明,随着ξ的增大,熔池内一侧单一晶向区域分布增大,同时获得了可使熔池一侧只存在单一晶区的基体取向(11 2)/[ 20 1ˉ](即ξ=45°)。本研究揭示了激光熔凝单晶高温合金过程中改变基体晶向对外延生长组织内部杂晶形成能力的影响机制,并为修复单晶高温合金叶片表面缺陷的激光熔覆修复技术提供了全新的优化思路。

本文探索了光束摆动对TC4钛合金窄间隙激光填丝焊缝成形和气孔率的影响。研究结果表明,无摆动时,焊缝表面起伏不连续,横截面窄而深,增加光束摆动之后,表面成形连续均匀,横截面相对变得宽而浅。当采用垂直或圆形摆动方式,摆动幅度为1.5~2 mm,摆动频率在20~100 Hz之间时,获得了焊缝表面和横截面成形良好的焊接接头。当采用圆形摆动,摆幅为2 mm,摆动频率在100~200 Hz之间时,获得的焊缝无明显气孔。采用该工艺进行了20 mm厚TC4钛合金窄间隙激光填丝焊接,焊接接头呈银白色,焊缝均匀连续,接头拉伸性能测试表明,其最大抗拉强度达930 MPa,接头强度与母材等强,断裂方式为韧性断裂,拉伸试样断裂在母材。

在大功率激光熔覆成形中,熔覆层的沉积率是决定成形效率及质量等的重要因素。采用Box-Behnken(BBD)及正交法进行了激光熔覆单道沉积实验设计,研究了激光功率、送粉速率、扫描速度和离焦量对沉积率的关系。分别建立了响应面法(RSM)模型和经遗传算法优化的神经网络(GA-BP)模型,同时预测并优化了沉积工艺参数。经遗传神经网络模型优化后的工艺参数得到的最大沉积率为61.74 g/min,高于响应面法优化得到的53.55 g/min。结果表明:遗传神经网络模型的预测、泛化及优化能力要优于响应面法模型,使用遗传算法优化后的神经网络模型可为实现高沉积率激光熔覆成形提供更有效的预估方法。

针对1000 MPa级调质超高强钢的焊接接头性能恶化等问题,选用等强匹配焊丝MG90-G和低强匹配焊丝ER80YM,对BS960E调质超高强钢实施激光-MAG电弧复合焊接接头拉伸、低温冲击韧性测试,并结合扫描等手段进行断口分析。结果表明,当焊接速度为1.32 m/min和0.72 m/min时,拉伸均断裂于母材,当焊接速度为0.72 m/min时MG90-G焊丝和ER80YM焊丝焊接接头的拉伸强度分别为1129 MPa和1145 MPa,延伸率分别为11.2%和12.5%。两种焊丝焊接接头的焊缝冲击断口均出现韧性断裂特征,而热影响区冲击断口主要表现为脆性断裂,0.72 m/min焊速条件下的焊缝冲击性能优于1.32 m/min焊速条件。随着焊接速度的降低,MG90-G焊丝焊接接头的热影响区脆性增加,但由于线能量相差不大,冲击性能的恶化不太明显。而ER80YM焊丝焊接接头的热影响区冲击韧性随着焊接速度的降低而增强。

为提高抽油杆接箍表面的耐磨、耐蚀性能,利用高速激光熔覆技术在35CrMo抽油杆接箍表面制备了马氏体不锈钢涂层,并进行了激光重熔处理。采用光学显微镜、X射线衍射仪、硬度计、摩擦磨损试验机及电化学工作站研究了高速激光熔覆层和重熔层的组织结构、硬度、摩擦磨损性能与电化学腐蚀行为。结果表明:高速激光熔覆涂层表面平整均匀,表面粗糙度为15.7 μm,无气孔、夹杂、裂纹等缺陷;重熔涂层的表面粗糙度可达5.4 μm;高速熔覆涂层和重熔涂层均由单一的马氏体相组成;熔覆层呈现多层搭接的分层特征,熔覆层界面区为平面晶,中部为外延生长的树枝晶,表面为无明显方向的细小树枝晶;重熔使多层搭接特征基本消失,并细化了表层的树枝晶;高速激光熔覆涂层和重熔层的硬度均值分别为470 HV和494 HV。高速激光熔覆提高了基材的耐磨性及耐蚀性,激光重熔可进一步提高涂层的耐磨和耐蚀性。高速激光熔覆和重熔高性能涂层为抽油杆接箍的表面改性提供了新的思路和方法。

针对同轴送粉的激光定向能量沉积(DED),结合送粉方程与VOF (Volume of Fluid)方法,提出了沉积层计算模型,采用固定坐标系下的移动边界条件,对单道IN718成形过程进行了实时模拟,并进行了实验验证。结果表明:在单层单道沉积加工下,随着扫描速度从8 mm·s -1增加到14 mm·s -1,沉积层高度和宽度分别减小了57.1%和21.6%,计算所得沉积层高度、宽度及熔深与实验结果吻合良好。在此基础上,计算了在单向平行搭接方式下搭接率为30%的单层双道沉积层温度场分布,得到了不同搭接时刻沉积层的温度变化规律。受第一沉积层热累积的影响,熔池潜热效应会使搭接加工时的表面最高温度略低于单道加工时的表面最高温度;同时受搭接沉积层在扫描过程中高温状态的影响,第一沉积层在搭接扫描过程中会出现回温现象,回温区间为1000~1600 K,幅度为100~300 K。该研究成果对深入理解同轴送粉激光定向能量沉积工艺机理以及工艺优化具有重要意义。

为探究皮秒绿激光修锐青铜基金刚石砂轮的工艺规律与机制,实现青铜基体的选择性定量去除。首先采用10 ps绿激光作用于青铜/金刚石,利用S-on-1损伤测定法标定损伤阈值,确定皮秒激光修锐青铜/金刚石砂轮的最佳工艺参数范围。然后对青铜/金刚石砂轮表面进行修锐,通过激光共聚焦显微镜及其软件表征修锐表面形貌与表面粗糙度,探究激光峰值功率密度、重复频率、扫描次数对修锐效果的影响规律。结果表明,皮秒绿激光对青铜基体的去除机制主要为气化去除,很大程度上避免了金刚石磨粒的碳化,即使在高重复频率下,也无明显的热积累特征。在脉宽为10 ps、重复频率为400 kHz条件下,青铜基体与金刚石磨粒的损伤阈值分别为1.23×10 9 W/cm 2、3.71×10 11 W/cm 2,两者相差两个数量级,青铜基体的选择性微量去除选择范围较宽,可通过调节峰值功率密度有选择性地去除基体,通过调节扫描次数定量去除基体。因此,采用皮秒绿激光可以选择性定量去除青铜基体且较好地保证金刚石磨粒的完整性。

研究了退火温度和保温时间对激光选区熔化(SLM)成形TC11钛合金组织性能及断裂机制的影响。结果表明:SLM成形TC11钛合金沉积态的组织为针状马氏体,显微硬度为402 HV0.5,抗拉强度和断后伸长率分别为1557 MPa和2.5%,表现出高强度、低塑性的特点。经850 ℃/4 h和950 ℃/4 h退火后,组织分别为细密的α+β混合组织和α+β网篮组织,硬度和强度降低,断后伸长率升高;且断裂模式由沿晶断裂转变为韧性断裂,这与断后伸长率的变化规律一致。经950 ℃退火后,随退火时间缩短,α片层越细密,且晶界α相由连续分布转变为非连续分布,导致抗拉强度和断后伸长率同时增加。经950 ℃/1 h退火后,可获得强度和塑性匹配较佳的TC11钛合金,其抗拉强度和断后伸长率分别为1051 MPa和19.8%。

为了研究冲击温度和冲击次数对激光温冲击压印(WLSI)铝箔成形质量的影响并揭示WLSI的机理,分别进行了不同温度和不同冲击次数下的WLSI成形实验,对WLSI的成形高度、表面质量、表面硬度和显微组织进行了测试和分析。采用ABAQUS软件对冲击过程中的成形件残余应力、变形速度进行了仿真。结果显示:在较高的冲击温度下可以获得大的成形高度和均匀的残余应力分布,但是冲击温度过高会导致成形微结构的过度氧化;在200 ℃下进行多次冲击,可以获得较大的成形高度和较好的表面质量。WLSI实验和数值仿真结果表明,WLSI过程包含材料的高应变率塑性变形硬化过程和动态回复软化过程,其中变形硬化起主导作用。

熔池/匙孔区域包含丰富的激光焊接质量信息,基于该区域对熔透状态进行准确识别对于激光焊接的在线控制至关重要。针对熔池区域存在蒸汽和飞溅等干扰且相邻的熔透状态之间特征区分度低带来的模式识别困难的问题,提出了一种融合时序信息的激光焊接熔透状态识别方法。所提方法以熔池/匙孔图像序列作为底层输入,首先通过两个卷积层和两个池化层提取熔池/匙孔图像的空域特征;其次通过双向长短时记忆神经网络提取熔池/匙孔图像的时域特征;最后将时空特征输入全连接网络进行特征降维并用SOFTMAX函数进行分类。所提方法建立了从熔池/匙孔图像到熔透类型的端到端的识别模型。试验结果表明,所提方法在测试集上的识别准确率达99.26%,对单幅图像的识别时间为9.43 ms,可满足在线监测的需求。进一步的对比试验表明所提方法对学习率和优化器的变化具有鲁棒性。

为了增强Q960E钢的抗磨粒磨损性能,设计出了一种低裂纹敏感性的镍基碳化钨(WC)合金粉末。以气雾化法制备的WC和NiCuBSi球形粉末按照质量比3∶7混粉,通过预热和保温处理,在Q960E钢表面制备了无明显裂纹的Ni基WC耐磨涂层。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线能量色散谱方法(EDS)、X射线衍射(XRD)、光学显微镜、维氏硬度计对熔覆层显微组织、元素分布、物相、磨损形貌、截面硬度进行分析,并对熔覆层和960E钢的耐磨性能进行了对比测试。涂层中WC和W2C是主要的强化相,大颗粒的球形WC硬度大于1500HV,提高熔覆层的耐磨性;而Ni和Cu是主要的黏结相,增强涂层的韧性。由于大颗粒的WC球有效阻碍了磨粒的压入和犁削,Ni-WC熔覆层的抗磨粒磨损性能达Q960E基材的6倍以上,能够有效提高Q960E钢的抗磨粒磨损性能。

采用波长为1064nm、脉宽为1μs的脉冲激光器对2024铝合金表面漆层进行激光清洗工艺试验,研究扫描速度、脉冲频率、激光功率对激光清洗漆层质量的影响规律,通过清洗表面形貌、漆层断裂横截面、清洗过程中收集的颗粒的形貌、清洗表面元素价态的变化,以及有限元模拟的温度场与应力场分布,深入分析了激光清洗漆层的过程与作用机制。结果表明:扫描速度、脉冲频率、激光功率均会不同程度地影响激光除漆质量,激光清洗质量随着扫描速度、脉冲频率的增加而先增加后降低,随着激光功率的增加而变好,在激光功率为16.5W、扫描速度为600mm/s、脉冲频率为30kHz的条件下,能够达到较好的激光清洗质量;不同工艺参数下激光清洗漆层的作用机制存在差异,其中内聚力破坏机制和裂纹扩展断裂机制是激光清洗漆层的主要作用机制。

针对纳秒激光刻蚀硅橡胶表面产生的浸润性变化现象,采用分形理论对其表面微结构的形成及浸润性的转变过程进行了研究。当输入的激光能量密度较低时,硅橡胶表面发生局部的热解,生成了具有高自相似性的大小颗粒复合状态的粗糙结构,其表面的分形维数提升而疏水性能略有增加。随着激光能量密度增加,硅橡胶上的大颗粒进一步热解至微纳米尺度的小颗粒,其表面分形维数降低,此时液滴只与表面的微纳小颗粒凸面相接触,由此形成了超疏水表面;随着激光能量密度进一步提高,累积的热效应使表面形成了板状结构和沟壑,导致其粗糙度的增大。当激光能量的输入与硅橡胶表面热解达到平衡时,其表面的粗糙结构和分形特征不再发生明显变化,由此形成了具有较高自相似性的稳定超疏水表面。研究结果对于快速制备超疏水硅橡胶表面及调控其表面微结构具有良好的指导意义。