1 上海理工大学机械工程学院，上海 200093
2 上海航天设备制造总厂有限公司，上海 200245
面向航天领域极端复杂工况，Ti6Al4V/NiTi异质功能结构可在充分发挥高比强度、耐蚀性等材料性能优势的同时实现智能变形等功能需求。然而，两种金属过渡界面区具有较高的开裂倾向。笔者采用激光熔化同步输送异质合金粉末沉积成形工艺，在富氧环境下开展了组分梯度过渡的Ti6Al4V/NiTi合金的原位制备，并在此基础上通过等能量密度成形法和基板热管理，实现了Ti6Al4V/NiTi异质材料的一体化沉积成形，分析了过渡区界面组织的演化规律。扫描电镜和能谱分析结果表明：经组分梯度优化后，梯度层界面之间呈良好的冶金结合；随着NiTi组分逐渐增加，从Ti6Al4V区到NiTi区，相组成演变为α-Ti+β-Ti→α-Ti+NiTi2→NiTi2→NiTi2+NiTi→NiTi→NiTi+Ni3Ti。梯度过渡区的显微硬度从Ti6Al4V区的343 HV±13 HV变化到NiTi区的275 HV±10 HV，40%Ti6Al4V+60%NiTi区域由于NiTi2强化相的析出而具有最高的硬度值，硬度值为576 HV±5 HV。
激光熔化沉积 异质功能材料 原位梯度增材制造 界面组织 等能量密度成形 中国激光
2024, 51(10): 1002313
1 1.哈尔滨工业大学 航天学院, 哈尔滨 150000
2 2.湖北碳六科技有限公司, 宜昌 443000
单晶金刚石是一种性能优异的晶体材料, 在先进科学领域具有重要的应用价值。在微波等离子体化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)单晶金刚石生长中, 如何提高晶体的生长速率一直是研究者们关注的重点问题之一, 而采用高能量密度的等离子体是提高单晶金刚石生长速率的有效手段。在本研究中, 首先通过磁流体动力学(Magnetohydrodynamic, MHD)模型仿真计算, 优化设计了特殊的等离子体聚集装置; 随后基于模拟结果进行生长实验, 采用光谱分析和等离子体成像对等离子体性状进行了研究, 制备了单晶金刚石生长样品; 并通过光学显微镜、拉曼光谱对生长样品进行测试。模拟结果显示, 聚集条件下的核心电场和电子密度是普通条件下的3倍; 生长实验结果显示, 在常规的微波功率(3500 W)、生长气压(18 kPa)下得到的高能量密度(793.7 W/cm3)的等离子体与模型计算结果吻合。高能量密度生长条件并不会对生长形貌产生较大影响, 但加入一定量氮气能够显著改变生长形貌, 并对晶体质量产生影响。采用这种方法, 成功制备了高速率(97.5 μm/h)单晶金刚石。不同于通过增大生长气压来获得高能量密度的途径, 本研究在常规的生长气压和微波功率下也可以生长高能量密度单晶金刚石。
MPCVD单晶金刚石生长 高能量密度 高生长速率 等离子体仿真 MPCVD single crystal diamond growth high energy density high growth rate plasma simulation
华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510641
为了研究不同的扫描模式对激光选区熔化（SLM）成形质量的影响，采用自主研发的双激光同步扫描激光选区熔化设备，在单激光扫描、双激光低功率同步扫描、双激光高速同步扫描模式下制备了316L不锈钢样件，对比了三种模式下的成形质量，分析了三种模式下飞溅形态、熔池形貌以及样件力学性能的差异。结果表明：采用双激光低功率（110 W）同步扫描时，由反冲压力引起的飞溅增多，熔池尺寸均匀且排列整齐；随着单束激光功率从95 W提升至120 W，样件的致密度从98.91%提升至99.32%；样件的微观组织主要由宽度为0.65~0.75 μm的柱状亚晶与等轴亚晶组成。采用双激光高速（2000 mm/s）同步扫描时，熔池深宽发生较大变化，搭接率由单激光扫描时的30%提升至50%以上，柱状亚晶的平均尺寸由单激光扫描时的0.50 μm降到0.35 μm。两种双激光同步扫描模式下成形样件的力学性能与单激光扫描模式下的相当，致密度达到99%以上，抗拉强度均超过720 MPa，延伸率超过40%。双激光高速同步扫描使得成形效率相较单激光扫描提升了一倍，为大尺寸激光选区熔化设备的扫描策略设计提供了新思路。
激光技术 金属增材制造 激光选区熔化 316L不锈钢 双激光 能量密度 力学性能 中国激光
2023, 50(16): 1602305
强激光与粒子束
2023, 35(6): 065005
中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川 绵阳 621900
针对HR-2抗氢脆不锈钢开展了不同体能量密度下的激光选区熔化工艺试验，重点研究了成形件的组织与性能。结果表明，在一定范围内，随体能量密度增加，成形件的致密度、显微硬度、拉伸强度与延伸率均升高。在最高体能量密度113.3 J/mm3下，成形件致密度高达99.9%，其对应的抗拉强度为765.5 MPa，屈服强度为634 MPa，断后伸长率为44.0%，断面收缩率为61%，达到了GJB 5724标准中HR-2锻件的性能要求。HR-2的打印态组织为明显的柱状晶，在XY面内晶粒呈等轴状，在YZ面内晶粒呈柱状。在XY面内，随体能量密度增加，晶粒尺寸先增加后减小，这是热输入不足导致的熔合不良孔隙、扫描速度降低导致的过冷度增加与扫描间距减小导致的重熔区占比增加对晶粒度的共同作用。
激光技术 激光选区熔化 抗氢钢HR-2 能量密度 致密度 晶粒尺寸 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0714008
1 河南职业技术学院汽车工程学院，河南 郑州 450046
2 河南理工大学机械工程学院，江苏 无锡 214122
3 郑州宇通客车股份有限公司，河南 郑州 450061
选择内燃机用Ti2AlNb锻造试样作为测试材料，对其实施送粉激光增材处理并测试不同激光能量密度下的熔覆组织特性，分析试样结合区的力学特性变化。研究结果表明：线能量密度为100 J/mm时，下部基材区形成与锻态基材同样的组织结构；顶部区域中存在对沉积层形成穿透的β柱状晶。下部区域存在等轴形态与片层状两种α相；中部包含了等轴与片层状α相，β相内还存在次生α相，该相数量随线能量密度提高而增长；上部结合区中形成魏氏组织，在β晶粒中存在α片层组织。提高线能量密度后，试样拉伸强度与屈服强度减小，而延伸率变大。线能量密度为100 J/mm时，形成力学性能最优的结合区组织，获得最大拉伸与屈服强度。试样拉伸断口存在剪切唇以及韧窝形貌，发生了韧性断裂。
激光增材制造 线能量密度 结合区 显微组织 力学性能 laser additive manufacturing linear energy density combining area microstructure mechanical property
1 深圳技术大学 深圳市超强激光与先进材料技术重点实验室 先进材料诊断技术中心 工程物理学院，深圳 518118
2 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 等离子体物理重点实验室，四川 绵阳 621900
3 北京师范大学 天文系，北京 100875
介绍了以强激光驱动电容线圈靶的实验方法产生磁场的基本模型及其发展过程。对比了实验室中常用的三种磁场诊断方法，包含：B-dot、法拉第旋转以及质子背光，发现前两种方法在实验中仅可以获得距离靶较远处的有限个磁场值，通过结合模拟工具获得靶处的磁场值与测量点的值跨越几个数量级，容易产生误差；质子背光诊断可以在实验中获得全局磁场信息，能够较好地满足线圈靶磁场诊断的需求。由于线圈靶磁场强且可持续时间长，在时空分布上具有一定可控性，因此我们将其应用到了磁重联的研究中，并成功获得了重联出流等特征。另外线圈靶在带电粒子的约束和磁流体动力学研究等多方面也得到了应用。
强激光 强磁场 高能量密度物理 intense laser strong magnetic field high-energy-density physics 强激光与粒子束
2023, 35(2): 021002
沈阳工业大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110870
采用脉冲光纤激光器对TC4钛合金表面的环氧锌黄漆层进行了激光清洗试验，研究了激光能量密度和激光清洗速度对清洗效果的影响规律，分析了试样清洗后的表面形貌、表面粗糙度以及物相组成，并测量了清洗后基材表面的维氏硬度。研究结果表明，清洗效果随着激光能量密度的增加或清洗速度的减小而逐渐变好；当激光能量密度为4.00 J/cm2、清洗速度为3 mm/s时，清洗后基材表面的物相成分只有Ti和Ti6O，没有CaCO3，说明在此工艺参数下漆层已经完全被去除。彻底去除漆层后的钛合金的表面粗糙度与原始基材表面粗糙度相近，粗糙度为Sa=2.082 μm。清洗后TC4钛合金试样表面的维氏硬度平均值为368.74 HV，相比原始硬度约提高了7.4%。研究结果表明，通过合理选择工艺参数，可以有效去除钛合金表面漆层，并获得较好的表面形貌，同时能提升其表面平均硬度。
激光技术 激光清洗 TC4钛合金 漆层 能量密度 清洗速度
陕西科技大学机电工程学院，陕西 西安 710021
采用选区激光熔化（SLM）工艺成型TC4钛合金，运用双因素控制变量法，从输入体能量密度方面，研究了激光功率P、扫描速度V对多层成型件致密度和表面硬度的影响规律。试验结果表明：当单位体积粉末输入体能量密度φ为119.05～166.67 J/mm3时，成型件致密度可达到96.62 %～97.41 %，表面显微硬度达到415.2～425.4 HV，高于成型前粉末微粒显微硬度335.4 HV。在激光功率P=200 W、扫描速度V=600 mm/s、铺粉厚度H=0.04 mm、扫描间距S=0.06 mm时，成型件致密度达到97.41 %，表面显微硬度达到440.5 HV，成型的钛合金件具有良好的力学性能。
选区激光熔化 TC4钛合金 体能量密度 力学性能 selective laser melting TC4 titanium alloy bulk energy density mechanical property
