1 沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁 沈阳 110136
2 沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，辽宁 沈阳 110136
在对K4169合金母材进行修复前采用不同的工艺进行热处理，以获取两类不同的显微组织，然后对比分析了母材的显微组织分和力学性能，并系统研究了修复试样热影响区液化裂纹的敏感性和产生机制。研究结果显示：在均匀化固溶时效条件下，母材主要由Laves相、δ相以及碳化物组成，修复试样母材与热影响区的平均显微硬度分别为220 HV和210 HV，修复试样的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为870.7 MPa、618.9 MPa和7.7%，断裂位置位于母材。在均匀化热等静压固溶时效条件下，母材主要由δ相以及碳化物组成；修复试样中存在裂纹，裂纹分布在母材一侧，横截面上裂纹的平均长度可达0.68 mm，最大裂纹长度为0.72 mm；热影响区液化裂纹的发生与母材的组织成分、晶粒度密切相关。相较之下，均匀化热等静压固溶时效合金修复试样母材与热影响区的平均硬度都较低，分别为210 HV和200 HV，Laves相和δ相的含量对母材和热影响区的显微硬度均有影响，抗拉强度和屈服强度分别降低了20.3%和38.4%，但延伸率有所升高，断裂位置在热影响区。两种试样都未断在修复区，这是因为修复区的晶粒更细，产生了细晶强化作用。
激光技术 激光沉积修复 K4169合金 修复前热处理 开裂机理 力学性能 中国激光
2024, 51(10): 1002322
1 南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏 南京 210016
2 江苏省高性能构件激光增材制造工程研究中心，江苏 南京 210016
激光增材制造稀土改性高强铝合金因具备轻质高强、复杂构件一体化成形等优势，在航空航天领域具有广阔的应用前景。围绕激光增材制造成形工艺优化、冶金缺陷抑制、力学性能提升及复杂构件形性调控等的研究是近年来的研究难点。本团队开展了激光粉末床熔融成形稀土改性高强铝合金Al-4.2Mg-0.4Sc-0.2Zr的激光工艺优化研究，基于试验表征与数值模拟相结合的方法，揭示了激光扫描速度对成形试件表面质量、内部冶金缺陷、熔池传热传质行为及纳米析出相分布的影响机制。结果显示：当激光功率为300 W、激光扫描速度为800 mm/s，并辅以325 ℃/4 h的时效热处理时，成形试件的致密度最优，为99.5%，抗拉强度为512.4 MPa，延伸率为13.3%。基于优化工艺参数对航空领域两类典型的复杂构件开展了成形试验研究，成形试件的最长外形尺寸为570 mm，表面粗糙度Ra≤7.3 μm，尺寸精度可达0.1 mm/100 mm。
激光技术 增材制造 激光粉末床熔融 高强铝合金 工艺调控 力学性能 中国激光
2024, 51(10): 1002317
1 上海交通大学材料科学与工程学院，上海 200240
2 首都航天机械有限公司，北京 100076
3 宜宾上交大新材料研究中心，四川 宜宾 644000
NbMoTaW难熔高熵合金（RHEA）在超高温下表现出优异的力学性能，但其室温脆性限制了其在航空航天等领域中的应用。采用激光选区熔化技术制备了（NbMoTaW）100-xCx和NbMoTaWTix两种难熔高熵合金（x%为原子数分数），通过合金化的方法提高了NbMoTaW合金的室温脆性抗性。研究表明，原子数分数为0.5%的C的加入显著提高了NbMoTaW合金的成形性和室温力学性能，使（NbMoTaW）99.5C0.5合金的屈服强度、极限抗压强度和塑性分别提高到1695 MPa、1751 MPa和6.9%；随着Ti含量的增加，NbMoTaWTix合金的强度和塑性也同时提高，并通过激光选区熔化制备了尺寸为100 mm×80 mm×20 mm的NbMoTaW难熔高熵合金超高声速飞行器关键部件模拟件，为增材制造高强韧的NbMoTaW系难熔高熵合金提供了一种新的研究思路。
激光技术 难熔高熵合金 激光选区熔化 合金化 显微组织 力学性能 中国激光
2024, 51(10): 1002309
1 中国科学院上海应用物理研究所上海 201800
2 上海核工程研究设计院有限公司上海 200233
3 中国科学院大学北京 100049
U3Si2是轻水堆中最具前景的事故容错核燃料之一，有望在未来取代UO2核燃料而被广泛使用。目前，采用放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering，SPS）技术制备U3Si2芯块的研究已被广泛报道，但SPS参数对芯块性能的影响还尚不明确。本文采用SPS技术制备了U3Si2芯块，并研究了不同烧结温度（1 000~1 300 ℃）和压力（30~90 MPa）对芯块的力学和热学性能的影响。利用激光导热仪测量了芯块的热扩散率，并计算出芯块的热导率。通过纳米压痕仪测量芯块的力学性能，包括硬度、杨氏模量和断裂韧性。研究结果表明：所制得的U3Si2芯块热导率在27~700 ℃范围内均呈现线性增加的趋势，并随着烧结温度和压力的升高而增大；芯块的硬度和杨氏模量随烧结温度升高而增大，且随着压力的升高呈现先增加后平缓的趋势，并在60 MPa趋于平缓；芯块的断裂韧性随烧结温度升高而降低，并随着烧结压力的升高而增大。基于上述结果，提出了优化的SPS参数。本研究将为高性能U3Si2燃料的制备提供参考。
U3Si2 事故容错燃料 放电等离子烧结 热学性能 力学性能 U3Si2 Accident-tolerant fuel Spark plasma sintering Thermal properties Mechanical properties
1 西安高压电器研究院股份有限公司，陕西 西安 710077
2 凝固技术国家重点实验室，陕西 西安 710072
3 金属高性能增材制造与创新设计工业和信息化部重点实验室，陕西 西安 710072
4 中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412002
5 北京卫星制造厂有限公司，北京 100094
6 巴黎高科国立高等工艺技术学院MSMP实验室，法国巴黎 51000
激光增材制造过程中的快速冷却，导致成形零件一般具有较高的残余应力与亚稳态结构。因此，优化热处理工艺对提高成形零件的使用性能至关重要。研究了选区激光熔化（SLM）TC4钛合金经不同热处理（退火、固溶、固溶时效）后的显微组织演化规律及拉伸性能特征。在实验过程中，首先对致密度优良的SLM TC4钛合金进行了不同制度的热处理，再分别对不同状态的样块进行宏观和微观结构、力学性能及断口组织的表征。实验结果表明，沉积态的SLM TC4钛合金显微组织主要为粗大的β相柱状晶，柱状晶内部为大量的、细小的α′相针状马氏体和α相板条间少量的β相颗粒。退火态α′相针状马氏体分解，重新形核长大为α相和β相。固溶态α相发生粗化后呈短棒状。固溶时效处理样品时，其显微组织为呈弥散分布的较均匀的（α+β）相，其中α相粗化为板条状，β相分布在α相周围。沉积态SLM TC4钛合金的强度最大，延伸率最低。沉积态和热处理态SLM TC4钛合金均没有织构。沉积态SLM TC4钛合金的抗拉强度为1238.75 MPa、屈服强度为1080.00 MPa、断后延伸率为8.85%。综合分析得到，三种热处理态SLM TC4钛合金的抗拉强度、屈服强度均有所下降，而断后延伸率有所提高。SLM TC4钛合金分别经过三种热处理后，其断裂方式从沉积态的韧性-脆性混合断裂转变为韧性断裂。
激光技术 热处理 TC4合金 选区激光熔化 微观组织 力学性能 中国激光
2024, 51(10): 1002321
Author Affiliations
Abstract
1 Interdisciplinary Center for Quantum Information, New Cornerstone Science Laboratory, State Key Laboratory of Extreme Photonics and Instrumentation, College of Optical Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou, China
2 Jiaxing Key Laboratory of Photonic Sensing & Intelligent Imaging, Intelligent Optics & Photonics Research Center, Jiaxing Research Institute Zhejiang University, Jiaxing, China
3 Collaborative Innovation Center of Extreme Optics, Shanxi University, Taiyuan, China
An optical micro/nanofiber (MNF) is a quasi-one-dimensional free-standing optical waveguide with a diameter close to or less than the vacuum wavelength of light. Combining the tiny geometry with high-refractive-index contrast between the core and the surrounding, the MNF exhibits favorable optical properties such as tight optical confinement, strong evanescent field, and large-diameter-dependent waveguide dispersion. Meanwhile, as a quasi-one-dimensional structure with extraordinarily high geometric and structural uniformity, the MNF also has low optical loss and high mechanical strength, making it favorable for manipulating light on the micro/nanoscale with high flexibility. Over the past two decades, optical MNFs, typically being operated in single mode, have been emerging as a miniaturized fiber-optic platform for both scientific research and technological applications. In this paper, we aim to provide a comprehensive overview of the representative advances in optical MNFs in recent years. Starting from the basic structures and fabrication techniques of the optical MNFs, we highlight linear and nonlinear optical and mechanical properties of the MNFs. Then, we introduce typical applications of optical MNFs from near-field optics, passive optical components, optical sensors, and optomechanics to fiber lasers and atom optics. Finally, we give a brief summary of the current status of MNF optics and technology, and provide an outlook into future challenges and opportunities.
micro/nanofibers fabrication optical properties mechanical properties optical applications Photonics Insights
2024, 3(1): R02
1 华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
2 北京星航机电装备有限公司，北京 100074
激光粉末床熔融（LPBF）是钴基高温合金复杂构件整体制造的理想方法。ECY768是一种性能优异的新型钴基高温合金，但目前LPBF成形ECY768合金的研究还十分匮乏。研究了LPBF成形ECY768钴基高温合金的冶金缺陷、显微组织和基础力学性能。结果表明：LPBF成形ECY768合金的冶金缺陷主要为气孔、未熔合和热裂纹；通过调整激光体能量密度等工艺参数，可实现无裂纹、高致密（孔隙率<0.5%）ECY768合金成形。LPBF成形ECY768合金的显微组织为以柱状晶为主的“柱状晶+等轴晶”混合组织，总体上呈一定的“〈0 0 1〉/构建方向”择优取向；晶粒内部具有细密的胞状亚晶结构，胞晶边界不仅分布有胞状位错网络，还分布有球状MC型和条带状M23C6型两类纳米级碳化物析出相。在优选工艺参数下，LPBF成形ECY768合金的屈服强度为1002 MPa（构建方向）/1267 MPa（垂直构建方向），远高于铸造或LPBF成形的其他主要钴基高温合金；延伸率为10.5%（构建方向）/13.3%（垂直构建方向），与铸造或LPBF成形的其他主要钴基高温合金基本相当。优良的致密度、细密的胞状亚晶结构、纳米碳化物的大量析出及其与位错网络的相互作用是LPBF成形ECY768合金具有优异力学性能的关键。
激光粉末床熔融 ECY768钴基高温合金 冶金缺陷 显微组织 力学性能 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0314004
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 Department of Materials Science and Engineering, Southern University of Science and Technology, Shenzhen 518055, Guangdong, China
2 Songshan Lake Materials Laboratory, Dongguan 523830, Guangdong, China
3 Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
4 Jiaxing Research Institute, Southern University of Science and Technology, Shenzhen 518055, Guangdong, China
5 High Performance Computing Department, National Supercomputing Center, Shenzhen 518055, Guangdong, China
Ti-6Al-4V is a benchmark Ti alloy. Laser wire additive manufacturing (LWAM) offers advanced manufacturing capability to the alloy for applications possibly including exploration of outer space. As a typical multiple-variable process, LWAM is complex, which, however, can be analyzed, predicated or even optimized by artificial intelligence (AI) methods such as machine learning (ML). In this study, printing parameters of the Ti-6Al-4V is firstly optimized using single-track-single-layer experiments, and then single-track-multiple-layer samples are printed, whose properties in terms of hardness and compressive strength are analyzed subsequently by both experiments and ML. The two ML approaches, artificial neural network (ANN) and support vector machine (SVM), are employed to predict the experimental results, whose coefficients of determination R2 show good values. Further optimized properties are realized by adopting genetic algorithm (GA) and simulated annealing (SA) approaches, which contribute to high mechanical properties achieved, for instance, an engineering compressive strength of about 1694 MPa. The results here indicate that important mechanical properties of the LWAM-prepared Ti alloys can be well predicted and enhanced using suitable ML approaches.
laser technique laser wire additive manufacturing (LWAM) Ti-6Al-4V machine learning mechanical properties support vector machine (SVM) artificial neural network (ANN)
1 上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室，上海 200240
2 上海交通大学安徽（淮北）陶铝新材料研究院，安徽 淮北 235000
采用激光粉末床熔化（LPBF）工艺制备TiB2质量分数为7%的原位自生7050铝基复合材料，研究了沉积态及热处理（在475 ℃的条件下固溶处理1 h后，再在120 ℃的条件下时效处理12 h）后TiB2/7050复合材料的微观组织和室温拉伸性能的变化。结果表明：纳米量级尺寸TiB2颗粒的加入能显著抑制LPBF成形7050铝合金裂纹的产生，且采用LPBF工艺制备的TiB2/7050复合材料表现出较好的成形性。在激光功率为240 W、扫描速度为450 mm/s及扫描间距为75 μm的工艺参数组合下，沉积态TiB2/7050复合材料的最大抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为（282±4）MPa、（246±4）MPa和（2.5±0.2）%；热处理后，TiB2/7050复合材料的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到（346±5）MPa、（289±5）MPa和（4±0.2）%。此结果接近现有文献报道的第二相颗粒增强7050铝合金的力学性能，并进一步降低了粉末制备成本。采用LPBF工艺制备的TiB2/7050复合材料的主要强化机制是析出相强化、位错强化、晶界强化及TiB2和第二相颗粒带来的Orowan强化，热处理后获得较好的综合室温拉伸性能。
激光技术 激光粉末床熔化 TiB2/7050复合材料 热处理 力学性能
