1 沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁 沈阳 110135
2 中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 110016
3 中国科学院机器人与智能制造创新研究院，辽宁 沈阳 110169
4 航空工业沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁 沈阳 110850
针对目前激光选区熔化难以直接成形大尺寸、高强度铝合金构件的问题，对定向能量沉积（DED）连接激光选区熔化成形Al-Mg-Sc-Zr合金的工艺进行研究，分析缺陷分布的位置、形貌以及对力学性能的影响，对比分析定向能量沉积参数以及超声外场辅助下连接试样的微观组织、元素分布和力学性能，并通过热等静压进一步提升力学性能。结果表明：缺陷主要分布在基材与连接区交界的熔合区，密集气孔聚集导致熔合区硬度远低于连接区和基材的硬度，并使整体拉伸性能弱化。在75~150 J/mm2激光能量密度范围内，随能量密度增大，致密度和抗拉强度均提升。采用3000 W激光功率、5 mm/s扫描速率、3.7 g/min送粉速率，得到最高的熔合区硬度、连接区致密度以及抗拉强度，分别为90 HV、90.83%、203.38 MPa。超声外场辅助会促进Al3（Sc，Zr）强化相的析出并细化晶粒，且能够有效减少气孔的数量和缩小气孔的尺寸。超声后试样的综合力学性能得到显著提升，熔合区硬度为95 HV，致密度为93.06%，抗拉强度为292 MPa，较未加超声时分别提高了5%、2.4%和44%。超声后采用热等静压的后处理方法，可使综合力学性能得到进一步提升，熔合区硬度为160 HV，致密度为99.99%，抗拉强度为405.71 MPa，较未热等静压时分别提高了68.4%、7.4%和38.9%。
光学设计 定向能量沉积 连接 Al-Mg-Sc-Zr合金 超声外场辅助 力学性能 热等静压
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室，吉林 长春 130033
3 长春长光精瓷复合材料有限公司，吉林 长春 130033
碳化硅陶瓷具有力学和热学综合性能优势，已广泛应用于光学/精密结构构件的制造。综述了应用于天/地基先进光电系统领域的碳化硅陶瓷制备技术国内外现状，对比分析了常压烧结、反应烧结、气相转化/沉积三种已获得工程化应用的致密化技术，以及预制体成型技术和材料性能调控方法；介绍了碳化硅陶瓷的增材制造技术，及其应用于光学/精密结构构件制备的进展；总结了超大口径、超高复杂度碳化硅陶瓷的连接技术。阐述了不同应用场景对碳化硅陶瓷的性能需求及其面临的挑战，展望了碳化硅陶瓷制备技术的发展趋势。
光学材料 碳化硅陶瓷 光学/精密结构构件 致密化技术 增材制造 连接技术
陶瓷材料因具有良好的机械性能、抗腐蚀性、耐高温性及抗氧化性等, 被广泛应用于航空航天、医疗、能源交通等领域, 陶瓷材料自身及其与金属材料的连接技术对于实际工程应用具有重要意义。由于部分陶瓷材料与电场的特殊作用机理, 将外加电场应用于陶瓷材料的连接技术中, 可以获得多种普通连接技术所不具备的优势, 如连接温度较低和连接时间较短等, 这就催生了新型陶瓷材料电场辅助连接技术。本文着重梳理了陶瓷及陶瓷基复合材料电场辅助连接技术的研究现状, 对近年来电场辅助连接技术的研究进展进行了综述, 重点介绍了电场辅助扩散连接(Electric field-assisted diffusion bonding, FDB) 技术、放电等离子体烧结 (Spark plasma sintering, SPS)连接技术以及新型低温快速闪连接(Flash joining, FJ) 技术的连接机理、典型界面微观结构、接头强度及影响因素等, 阐述了不同电场辅助连接技术的适用范围和局限性, 并对陶瓷材料电场辅助连接技术的发展进行了展望。
陶瓷 电场辅助 电场辅助扩散连接 SPS连接 闪连接 综述 ceramics electric field electric field-assisted diffusion bonding SPS joining flash joining review
1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093
2 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室，上海 201800
3 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光单元技术实验室，上海 201800
为实现石英玻璃的快速密封焊接，本文提出了一种利用皮秒激光进行两步扫描的焊接方法，首先利用较高能量脉冲快速扫描，在玻璃界面形成初步焊接，再利用较低能量脉冲慢速扫描，扩大熔池体积。在焊接强度和密封性能等方面，将两步扫描焊接与传统单步扫描焊接进行了对比，结果表明：两步扫描焊接样品具有更高的焊接强度（平均剪切强度达到了45 MPa），同时可实现更好的密封效果。为了探究不同间隙宽度下玻璃焊接强度的变化，通过滴加含不同直径SiO2微球的分散液增大玻璃间隙，结果发现两步扫描方法可以对间隙超过27 μm的石英玻璃进行一定强度的焊接（剪切强度为2.4 MPa）。基于此方法，成功实现了石英玻璃的高强度快速密封焊接，并利用单一皮秒激光扫描平台演示了微通道的快速制备和封装。
激光技术 玻璃连接 密封焊接 两步扫描 微通道封装 皮秒激光 中国激光
2023, 50(20): 2002101
北京工业大学材料与制造学部高功率及超快激光先进制造实验室，北京 100124
为了研究不同工艺参数对TC4钛合金与连续编织碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料（CFPEEK）的激光焊接接头的影响规律，并对焊接工艺窗口进行预测，使用ABAQUS软件建立基于热传导的有限元仿真模型，计算TC4钛合金/CFPEEK激光焊接接头的温度场分布。针对CFPEEK中连续编织碳纤维的实际铺层情况，在建模时对复合材料进行分层处理，将碳纤维层视为正交性质的材料。在此基础上探究了激光功率、焊接速度、光斑尺寸对焊缝熔化深度及宽度的影响规律，计算结果与实际试验结果吻合度较高，激光功率、焊接速度、光斑尺寸等工艺参数均对接头结合处的温度有较大影响。经过多组参数的计算，得到了TC4钛合金/连续编织CFPEEK激光连接的预测工艺窗口。结果表明，所建立的有限元模型能够有效模拟连续编织CFPEEK与TC4钛合金激光连接的温度场分布，对实际试验有一定指导意义，可降低试验成本。
激光技术 激光连接 碳纤维增强复合材料 TC4钛合金 数值模拟
1 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室, 武汉 430070
2 化学与精细化工广东省实验室, 广东 潮州 521000
氮化硅陶瓷与金属的有效连接, 对于充分利用二者优异性能、满足材料或构件在复杂环境下服役要求至关重要。利用粉末冶金、梯度复合技术实现了大物性差异氮化硅陶瓷(Si3N4)和金属钼(Mo)的梯度连接, 研究和探明了不同烧结温度以及不同Si3N4添加量下各梯度层内Si3N4和Mo的反应机理。基于反应机理, 结合浓度分布指数p对Si3N4/MoxSiy/Mo梯度材料的过渡层结构进行优化, 实现了Si3N4和Mo的梯度连接及力学性能的提升。结果表明: Si3N4和Mo主要通过Mo、Si之间的扩散反应形成钼硅化合物, 反应过程为(Mo+Si)→(Mo3Si/MoSi2+Si)→(Mo5Si3); 当浓度分布指数p=1.5时, Si3N4/MoxSiy/Mo梯度材料的弯曲强度达到最大值371.42 MPa, 剪切强度达到最大值30.58 MPa, 过渡层内各元素呈准连续梯度分布。
陶瓷/金属复合材料 氮化硅 钼 梯度连接 ceramic/metal composite silicon nitride molybdenum gradient joining
连接技术是实现大尺寸以及复杂构型Cf/SiC复合材料制备及工程化应用的关键技术。本工作使用酚醛树脂作为碳源, 通过反应连接法实现了Cf/SiC复合材料的稳定连接, 研究了多孔碳坯的体积密度和孔径对接头连接性能和微观结构的影响, 讨论了惰性填料含量对接头连接性能和显微组织的影响。研究表明: 树脂基多孔碳素坯的体积密度和孔径分别选定在0.71~0.90 g·cm-3和200~600 nm比较合适, 随着多孔碳素坯孔径增加, 游离硅尺寸逐渐增大; 当孔径为190 nm时, 连接件强度最大为(125±12) MPa。添加SiC惰性填料可以明显减小多孔碳素坯的体积收缩, 当SiC惰性填料质量分数为50%时, 连接件强度最高达到(216±44) MPa, 基本与基体材料强度相当。总体而言, 本研究为实现Cf/SiC复合材料稳定连接提供了理论指导, 对实现复杂形状或大型Cf/SiC复合材料的制备和工程应用具有重要意义。
多孔碳 反应连接 Cf/SiC复合材料 力学性能 微观结构 porous carbon reaction bonded joining Cf/SiC composites microstructure property mechanical
1 1. 西南交通大学 力学与航空航天学院, 成都 611756
2 2. 西南交通大学 材料科学与工程学院, 成都 610031
3 3. 北京理工大学 先进结构技术研究院, 北京 100081
闪烧是近些年广受关注的一种电场辅助烧结技术。本文介绍了闪烧的起源与发展, 并对闪烧的基本特征进行了分析。在闪烧孕育与引发过程的研究方面, 发现了孕育阶段的非线性电导特征和电化学黑化现象, 提出了氧空位主导的缺陷机制; 在闪烧阶段的快速致密化研究方面, 提出了电场作用导致的缺陷产生和运动会在粉体颗粒间产生库仑力, 有利于烧结前期的致密化过程, 同时发现闪烧致密化过程中还伴随着金属阳离子的快速运动; 在闪烧阶段的晶粒生长和微结构演变方面, 发现了试样温度沿电流方向呈非对称分布, 试样中间位置的晶界迁移率明显提高, 提出电化学缺陷对微观结构有重大影响。基于上述研究成果, 本团队利用电场作用下出现的低温快速传质现象, 发展了陶瓷闪焊技术, 实现了同种陶瓷/陶瓷、陶瓷/金属, 甚至异种陶瓷/陶瓷之间的快速连接; 发展了陶瓷闪烧合成技术, 不仅实现了典型氧化物陶瓷的快速合成, 而且实现了高熵陶瓷和具有共晶形貌的氧化物陶瓷的快速合成; 发展了氧化物陶瓷的电塑性成形技术, 初步实现了氧化锆陶瓷低温低应力下的快速拉伸和弯曲变形。本文最后总结了闪烧机理研究面临的挑战, 并从焦耳热效应和非焦耳热效应两方面展望了闪烧的发展方向, 期望对闪烧技术在国内的发展有所裨益。
闪烧 焦耳热 缺陷 连接 合成 成形 综述 flash sintering Joule heating defect joining synthesis forming review
1 广东工业大学机电工程学院，广州 510006
2 中广核研究院有限公司，广东 深圳 518026
由于高脆性、高硬度、高耐磨等特点，SiC陶瓷较难直接加工成大型结构复杂的零部件，发展连接技术是推动其工程化应用的主要方法之一。在众多连接方法中，以SiC为连接层主相的连接方法制备的接头具有连接强度高、接头应力小、抗辐照、抗化学腐蚀和耐高温等优势，成为SiC陶瓷连接重点关注的技术，包括纳米浸渍瞬态共晶相连接(NITE相连接)、硅-碳反应连接(Si-C反应连接)和前驱体连接。本工作从连接机理、连接工艺、接头成分、微观结构和连接强度等方面综述了上述3种以SiC为连接层主相的SiC陶瓷及其复合材料的连接技术，并对3种连接技术的优缺点进行了对比分析，最后对发展趋势进行了展望。
碳化硅陶瓷连接 纳米浸渍瞬态共晶相连接 硅-碳反应连接 前驱体连接 joining of silicon carbide ceramics nano-infiltrated transient eutectoid phase joining silicon-carbon reaction joining precursor joining
1 北京航空航天大学机械工程与自动化学院，北京 100083
2 北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室，北京 100083
3 北京航空航天大学国际交叉科学研究院，北京 100083
激光精密加工技术在航空航天、集成电路、医疗器械等战略新兴产业领域展现出了巨大优势。本文重点介绍了北京航空航天大学激光团队近年来在激光精密抛光、金属-复合材料高强连接、一站式功能表面制备、超快激光刀钻骨、超快激光助力硅晶圆制造等方面的研究进展，对相关结果进行分析与总结，并展望了激光精密加工技术的未来发展方向和应用前景。
激光技术 激光精密加工 激光抛光 异质材料连接 功能微纳结构 骨钻孔 智能制造 中国激光
2022, 49(19): 1902001
