1 浙江工业大学 激光先进制造研究院，浙江 杭州 310023
2 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室，浙江 杭州 310023
3 浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310023
4 杭州汽轮动力集团股份有限公司，浙江 杭州 310020
面向海洋、矿山等领域机械部件表面耐磨防蚀涂层制备需求，针对陶瓷颗粒强化涂层高耐磨性能与高耐腐蚀性能难以兼容的问题，搭建了超声辅助激光熔覆试验平台，制备了有无超声作用下的碳化钨(WC)颗粒强化涂层。研究了超声对复合涂层微观组织形貌、元素分布、WC表面合金层厚度的影响规律，并进一步开展了有无超声试样硬度、摩擦磨损与耐蚀性能测试。结果表明：超声振动能够细化晶粒，平均晶粒尺寸从101.0 μm降至59.6 μm，抑制偏析，促使WC表面合金层溶解与熔覆层元素的均匀分布；超声作用下，试样平均显微硬度由310 HV0.1提升至425 HV0.1，同时超声作用下WC颗粒周围硬度分布更加均匀；有无超声作用下试样失重量分别为6.5 mg和8.8 mg，试样磨损率分别为0.0323 mg/m和0.0438 mg/m，试样磨损率降低了26.2%；超声作用下试样腐蚀电流密度由5.20 μA/cm2降低为2.13 μA/cm2，同时电化学阻抗谱表明超声作用下试样表面具有更大的电容阻抗环、阻抗模量与相角值。
激光熔覆 WC颗粒强化涂层 超声 耐磨性能 防腐性能 laser cladding WC particles reinforced coating ultrasonic vibration wear resistance corrosion resistance 红外与激光工程
2024, 53(1): 20230542
姚喆赫 1,2,3潘成颢 1,2,3迟一鸣 1,2,3陈健 1,2,3[ ... ]姚建华 1,2,3,*
1 浙江工业大学激光先进制造研究院，浙江 杭州 310023
2 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室，浙江 杭州 310023
3 浙江工业大学机械工程学院，浙江 杭州 310023
超声复合激光制造技术通过施加外部超声以提升激光制造的加工能力与质量，已成为国内外研究热点。分析了当前超声复合激光制造技术涉及的耦合机理，并综述了超声在激光制造过程中的作用机制。根据超声振动模块与基体的接触模式将超声引入方式划分为固定接触式、移动接触式、非接触式，并分别阐述三种超声引入方式的优势与缺点。进一步，从增材、等材、减材制造三个方面全面讨论了不同超声引入方式和不同激光制造技术相结合的超声复合激光制造技术，探讨了不同复合制造技术的原理和技术特点，归纳了超声振动在激光制造过程中的影响规律。在当前研究进展基础上对超声复合激光制造技术的发展方向进行了展望。
激光制造 复合制造 超声振动 耦合机制 超声引入方式 迟一鸣 1,2,3钱大虎 1,3姚喆赫 1,2,3张群莉 1,2,3[ ... ]姚建华 1,2,3,*
1 浙江工业大学激光先进制造研究院，浙江 杭州 310023
2 浙江工业大学机械工程学院，浙江 杭州 310023
3 高端激光制造装备省部共建协同创新中心，浙江 杭州 310023
针对铝合金硬度低、耐磨性差的问题，采用激光合金化工艺在其表面制备了原位自生TiB2-TiC颗粒增强铝基复合涂层，在B4C-Ti的4%、12%、36%三种质量分数下，研究了合金化层的物相组成、微观组织和耐磨性能。利用边-边匹配模型（E2EM模型）计算了原位自生颗粒的界面匹配情况，分析了原位自生相作为异质形核核心的可能性。结果表明，合金化层主要由条状或针状Fe-Al金属间化合物和大量弥散分布、尺寸细小的TiB2、TiC、Cr2B等原位增强颗粒组成。原位自生TiC、TiB2相与α-Al基底、TiC/TiB2两相之间的面间距失配和原子间距失配均小于10%，表明增强颗粒与基底之间界面结合良好，且TiB2可作为TiC异质形核核心。合金化层的平均显微硬度高达1156.11 HV，约为基体的15.2倍，磨损体积比基体降低了89.6%，耐磨性能显著提高。
激光技术 激光合金化 原位自生 颗粒增强涂层 边-边匹配模型 耐磨性能 中国激光
2023, 50(24): 2402202
姚喆赫 1,2,3洪锦源 1,2,3范伟鑫 1,2,3刘云峰 2,3[ ... ]姚建华 1,2,3,*
1 浙江工业大学激光先进制造研究院，浙江 杭州 310023
2 浙江工业大学机械工程学院，浙江 杭州 310023
3 高端激光制造装备省部共建协同创新中心，浙江 杭州 310023
4 浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江 杭州 310027
面向甲醇重整制氢微反应器异形微细波纹板制造难题，采用激光弯曲成形技术制造了“双圆弧”异形微细波纹板。针对“双圆弧”异形波纹板激光弯曲成形过程中的面畸变缺陷，提出了一种变速扫描策略，在不同扫描策略下开展了温度场数值模拟与成形试验研究，并对有无抑制策略下的异形波纹板成形质量进行了评价。结果表明，多段变速策略实现了能量分布的离散化调控，末端热积累显著降低，8段变速时出口处峰值温度相较于恒速扫描下降了13.4%；在变速扫描策略下，法平面弯曲成形面畸变呈减小趋势，弯曲角度差小于1.0°，成形后波纹板流道上下底面的平行度提高了87.5%，波纹度最大降低了51.2%。研究结果表明，变速扫描策略可显著降低激光弯曲成形面畸变，提升波纹板成形质量。
激光技术 激光弯曲成形 异形波纹板 面畸变 抑制策略 中国激光
2023, 50(20): 2002104
姚喆赫 1,2,3王发博 1,2,3孙振强 1,2,3陈智君 1,2,3[ ... ]姚建华 1,2,3,*
1 浙江工业大学激光先进制造研究院，浙江 杭州 310023
2 浙江工业大学机械工程学院，浙江 杭州 310023
3 高端激光制造装备省部共建协同创新中心，浙江 杭州 310023
4 卡尔顿大学机械与航空航天工程系，加拿大 渥太华 KIS 5B6
针对激光熔注WC涂层中增强颗粒聚集及熔注层开裂的问题，将超声引入激光熔注过程，在316L不锈钢基板上开展了不同送粉速率下的超声辅助激光熔注WC颗粒实验研究，分别采用不同单元内WC颗粒的数密度与Voronoi单元面积的离散系数来评价WC颗粒的聚集位置与均布程度，对比分析了超声对WC颗粒熔解程度、聚集位置、均布程度与熔注层裂纹的影响。结果表明：无超声作用下且送粉速率较大时，WC颗粒在熔注层两侧边缘聚集；当送粉速率为2~8 g/min时，超声作用下的Voronoi单元面积离散系数相比无超声作用时减小了18.7%~43.5%。这表明超声可以显著改善WC颗粒的局部聚集现象，提升WC颗粒的均布程度，从而进一步抑制熔注层裂纹的萌生。
激光技术 激光熔注 超声 颗粒分布 Voronoi图 裂纹 中国激光
2023, 50(12): 1202202
范思远 1,2,3毛家智 1,2,3谢颂伟 1,2,3王梁 1,2,3,*[ ... ]姚建华 1,2,3
1 浙江工业大学机械工程学院，浙江 杭州 310023
2 浙江工业大学激光先进制造研究院，浙江 杭州 310023
3 浙江省高端激光制造装备协同创新中心，浙江 杭州 310023
本团队以316L不锈钢为对象，研究了高频脉冲激光直接作用于液态熔池对熔覆层宏观形貌、显微组织和熔池流动行为的影响；采用脉冲/连续双光束复合激光熔覆技术制备了316L不锈钢涂层，采用光学显微镜观测了熔覆层的宏观形貌和显微组织结构，并进一步采用高速摄像机研究了熔池流动行为的变化。研究结果表明：在高频脉冲激光作用下，熔池表面产生了高频环状振动波，波速约为1.408 m/s，马兰戈尼对流显著增强，熔池表面后端熔体的流速由未施加高频脉冲激光时的0.308 m/s增至0.394 m/s，提高了约27.92%；熔池凝固的冷却速率显著提高，由未施加高频脉冲激光时的186.58 K/s增至475.76 K/s，提高了约154.99%；由于形核趋势的增加和温度梯度的降低，熔覆层组织得以显著细化，平均晶粒尺寸由未施加高频脉冲激光时的13.06 μm减至6.32 μm，减小了约51.61%。
童冰倩 1,2,3李振兴 1,2,3张群莉 1,2,3姚喆赫 1,2,3[ ... ]姚建华 1,2,3,*
1 浙江工业大学激光先进制造研究院, 浙江 杭州 310023
2 浙江省高端激光制造装备协同创新中心, 浙江 杭州 310023
3 浙江工业大学机械工程学院, 浙江 杭州 310023
4 杭州博华激光技术有限公司, 浙江 杭州 311199
采用激光合金化技术在GCr15钢表面制备了耐腐蚀的Cr合金化层,用扫描电子显微镜、能谱仪和X射线衍射仪分析了合金化层的显微组织和物相,并测试了合金化层的硬度和电化学腐蚀性能。实验结果表明,合金化层与基材呈良好的冶金结合,显微组织为典型的枝晶组织。相比纯Cr粉获得的合金化层,B4C/Cr混合粉末获得的合金化层组织更精细,且存在Fe2B和CrB两种新的强化相。B4C的添加在一定程度上提高了合金化层的硬度和耐蚀性。当B4C与Cr两种粉末的质量比为1∶16时,合金化层的显微硬度约为621 HV,是基体的2~3倍,且腐蚀电位较高,耐腐蚀性好。
激光光学 GCr15钢 激光合金化 Cr合金化层 硬度 腐蚀性能 中国激光
2021, 48(10): 1002119
