为了研究激光熔覆316L粉末多层堆积过程中熔覆层的Cr元素分布机制，建立了一种基于体积平均法的三相熔化凝固模型，模拟多层激光熔覆过程中的熔池流动、传热和传质现象。对模拟结果与实验结果进行比较分析，验证了模型的可靠性。通过分析激光熔覆多层316L粉末过程中的温度场、流场以及元素分布的瞬态变化，以Cr元素作为粉末的示踪元素获得了熔覆层的元素分布机制。结果表明：由于Marangoni效应，熔池内形成了位于熔池前端的顺时针方向涡流和后端的逆时针涡流，熔池最大流速出现在熔池后端表面；在前三层熔覆过程中，随着层数增加，熔池表面温度梯度下降导致熔池最大流速减小，而在热积累作用下熔池体积明显增大，但熔池内部流态不发生改变。同时，第二、三层熔覆时熔覆层发生部分重熔，重熔区内的基体元素在熔池内被粉末元素再次稀释，导致粉末元素的含量在熔覆层内逐层上升，最终获得从基体元素向粉末元素过渡的熔覆层。

为了探究激光熔覆搭接过程中元素分布的演化机制，建立了基于体积平均法的Eulerian-Eulerian多相流三维熔化凝固模型，模拟了45钢基体激光熔覆316L粉末的过程，获得了搭接过程中第一、二道熔覆层之间温度场、流场及溶质场的相互作用机制。对比分析了搭接过程中第一、二道熔覆层模拟与试验的熔池形貌结果，熔深误差分别为1.96%和5.39%，熔高误差分别为0.97%和2.62%，熔宽误差分别为7.27%和6.70%，验证了模型的可靠性。Cr元素分布结果表明：在第一道熔覆层的影响下，第二道熔覆层Cr元素的平均含量略高于第一道熔覆层Cr元素的平均含量。搭接区域Cr元素的平均含量略高于两道熔覆层Cr元素的平均含量。这是由于第一道熔覆层影响第二道熔覆层的熔池尺寸、横截面左右温度梯度分布及基体热量吸收，因此两道熔覆层的元素分布有着显著差异。

通过耦合温度场、熔池流场、多组分浓度场建立三维数值模型,并结合正交参数设计与极差分析研究了工艺参数对Ni/304SS激光传导焊接中接头元素重分布的影响。以Fe元素为研究对象,量纲分析结果表明,焊接过程中合金元素的输运机制由熔池对流主导。用流入Ni侧的Fe元素平均含量表征熔池中的元素分布情况,设计了L₂₅(5 ³)正交模拟实验,并通过极差分析研究工艺参数的相对重要性。结果表明,扫描速度的极差为9.45%,光斑偏移量的极差为9.17%,功率的极差为1.11%。流入Ni侧的Fe元素平均质量分数与扫描速度负相关,与偏移量正相关。此外,适当降低扫描速度并将光斑向304SS侧偏移有利于Fe元素的稀释,使其分布更均匀。

西太平洋富钴结核是近年来新发现的海底固体矿产资源, 富含Mn, Fe, Co, Ni和Cu等多种关键金属元素。 富钴结核是一种非均质的地球化学和矿物学集合体, 粒径约6 cm的结核在生长过程中记录了数千万年的海洋沉积历史, 亟需高分辨率的分析技术揭示古海洋环境信息。 采用微区X射线荧光光谱仪（μ-XRF）, 对C3BC1704富钴结核开展多元素面扫描, 获得了原位高分辨率多元素的信号强度数据, 评价了μ-XRF技术在富钴结核中的应用质量。 元素信号谱峰特征和数据频谱分布结果显示, 富钴结核中Mn, Fe, Ti, Co, Ca和Ni等元素信号强度敏感, 数据呈现相对较好的正态分布特征, 可用于定量或半定量分析; Si, Cu和Al等元素信号较弱, 数据呈现左偏的正态分布特征, 建议相关数据仅作参考。 μ-XRF获得的数据量庞大且彼此独立, 本研究将不同元素连接成彼此关联的多维矩阵, 实现了数据的位置信息和特征元素之间的数学运算和筛选, 了解了金属元素的分布和变化特征, 揭示了富钴结核生长过程的环境变化。 结果显示, Mn和Fe等元素在生长层中波动剧烈, 金属元素在富钴结核中的分布极不均匀, 显示出多成因类型的交替微层和7个大的生长周期旋回。 C3BC1704富钴结核主体暴露在海水中, 金属元素主要来自海水, 化学组成指示为典型的水成成因。 进一步定量分析结果显示, Mn, Cu和Ni等元素含量从内部向外围呈现同步降低的趋势, Fe, Ti和Co等元素含量则呈现同步升高的趋势, 这些特征指示早期偏向于成岩富集环境, 晚期则以水成富集为主。 富钴结核金属元素的分布和变化特征, 清晰呈现了富钴结核的生长结构, 揭示了富钴结核生长过程的环境变化, 有利于富钴结核的成矿模型的构建。

基于激光熔覆同轴送粉成形技术，利用316L不锈钢粉末和镍基718高温合金粉末制备二维突变梯度材料。通过电子探针检测技术在宏观层面分析整个试样的元素变化规律，通过扫描电镜及其附带的能量色散谱仪在微观层面分析界面处的微观组织及元素变化规律。结果表明：在宏观分析时元素含量突然变化，在微观分析时发现存在长约500 μm的过渡区间；界面处显微硬度变化显著，微观组织逐渐变化，但镍基718高温合金侧元素偏析明显，以Laves相和碳氮化物为主，316L不锈钢侧以胞状晶为主，且含有少量碳氮化物。

激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种元素快速分析手段, 具有无需样品预处理、 实时在线、 非接触、 多元素同时探测等诸多优点, 已在多个领域获得应用。 搭建了一套可实现环形扫描探测的LIBS光谱探测系统, 通过探测结果获得元素分布情况, 进而实现元素高浓度区域反演, 为环境异常情况监测、 污染源追踪甚至矿藏勘察提供一种有效的快速实时分析方法。 该系统运行过程中不需要整体移动, 只通过旋转部分光学器件即可完成360°全方位的快速扫描与探测, 进而以所采集到的光谱强度获知不同扫描角度下的元素分布情况, 用于反演元素高浓度区域的具体方位, 达到源头位置判定的目的。 为验证所提出的LIBS环形扫描设想, 评估所搭建系统的探测能力, 实验中以海水为探测样品制备富含K, Ca, Na和Mg的喷雾模拟污染源喷发情况, 通过标志性元素Na的LIBS光谱强度增长作为目标寻源的主要依据, 以每10°为间隔对360°范围内的元素情况进行了扫描探测。 实验结果显示该系统能够较为准确地反演出目标源头的具体方位, 但需要进行必要的探测结果校正。 校正过程具体包括“信号浮动校正”和“探测效率校正”两个方面, 前者用于降低LIBS探测过程中信号的不稳定性, 主要通过选用内标元素进行信号波动的校正; 后者则是减小探测过程中安装调试误差, 以环境中均匀分布元素的探测结果完成各扫描位置的光谱采集效率修正。 经过校正后的环形扫描数据显示, 搭建的系统不仅在大扫描半径(250, 300 mm)下能够准确获得“喷发源”位置外, 还能够在离喷发位置较远、 短扫描半径下(100 mm)明确元素高浓度区域的具体方位。 因此, 提出的这种适用于LIBS技术的环形扫描探测的硬件结构, 实验验证了该结构能够实现近似“雷达”的扫描分析, 通过元素光谱信号强度反馈用以实现目标具体方位的判断, 进而达到目标寻源的分析目的。

X射线荧光成像是一种可无损获得样品内部元素空间分布信息的实验技术, 可分为荧光mapping扫描成像与荧光CT成像, 其空间分辨率由X射线聚焦束斑的大小决定。 上海光源成像线站已建立X射线荧光成像系统并对用户开放, 在多个领域取得较好的研究成果, 该系统基于狭缝限束获取微束X射线, 束斑为150 μm, 限制了该方法的广泛应用。 椭球聚焦镜是反射面为椭球面的单次反射单毛细管光学元件, 基于全反射原理, 具有反射效率高、 工作距离长、 接收角宽、 适用X射线能量范围宽、 体积小等优点, 已应用到X射线聚焦、 全场纳米成像等领域。 由于对面型精度的要求较高, 制备椭球聚焦镜难度较大。 为满足广大用户对微束荧光成像的需求, 自行设计并成功研制了针对微束荧光成像系统的单毛细管椭球镜, 并对其进行了X射线聚焦性能检测, 结果显示可获得14 μm聚焦光斑, 焦点处增益可达255倍。 基于自主研制的椭球镜, 在上海光源BL13W搭建微束X射线荧光成像系统, 并开展了微束荧光mapping成像与微束荧光CT实验研究: (1)对中风鼠脑切片的荧光mapping扫描成像, 得到中风鼠脑中微量元素铜、 铁、 钙与锌的元素分布荧光光谱图； (2)对鼠脑及毛细管中浓度为0.5 mg·L-1的标准砷溶液进行同步辐射微束X射线荧光CT成像, 利用OSEM重构算法重构投影数据, 获得了鼠脑中铜元素和毛细管中砷元素二维分布的切片图。 两组实验表明, 基于自行设计与研制的单毛细管椭球镜的微束X射线荧光成像系统, 样品处的光通量密度增加, 空间分辨率得到提高, 单张荧光光谱的获取时间显著减少, 同时也提高了系统的元素探测限。

采用基于体积平均法的气-固-液三相激光熔覆模型,探究了工艺参数对45钢表面激光熔覆316L不锈钢熔覆层中Cr元素分布及其均匀性的影响。首先,使用Cr元素的平均浓度来表征熔覆层中元素的分布情况,并对熔覆过程中Cr元素分布的演变进行分析;然后,将Cr元素在y方向分布的计算结果与实验结果进行对比,验证了模型的可靠性;之后通过设定的正交工艺参数进行模拟,探究工艺参数与熔覆层中Cr元素平均含量之间的关系;最后,根据模拟结果对熔池的流动行为进行分析,探究工艺参数与熔覆层中Cr元素在x方向分布均匀性之间的关系。研究结果表明:对熔覆层中Cr元素含量影响最大的工艺参数是送粉率,然后依次为激光功率和扫描速度,送粉率与Cr元素含量呈正相关,激光功率与Cr元素含量呈负相关。熔池凝固速率与流速对熔覆层中Cr元素分布的均匀性有较大影响,可通过适当增大激光功率和降低扫描速度来获得元素分布更为均匀的熔覆层。