为探究激光熔凝工艺对不锈钢表面综合性能的影响，本课题组选用LDF 4000-40型激光器对0Cr17Ni12Mo2不锈钢表面进行处理，并采用光学显微镜、电子显微镜、能谱扫描仪、显微硬度计、电化学分析仪及磨损试验机等对其微观组织与性能进行表征。结果表明：由于不同区域的传热、散热差异，激光熔凝组织与基体的界面呈波浪形，强化区的表层为等轴晶，中部为等轴晶和柱状晶，边缘区域为平面晶，且强化区的碳元素、铁元素及铬元素存在扩散现象；由于激光熔凝细化了微观组织，强化层的最高硬度约为基体最高硬度的1.5倍；与基体相比，强化层的耐蚀性更好，但强化层一旦发生腐蚀，其腐蚀速率比基体高；由于晶粒细化及硬度增加等原因，强化层的摩擦因数（0.29）低于基体的摩擦因数（0.35），且磨损机理为磨粒磨损。

设计了一种L型基体去模拟气门座激光增材带侧壁的约束结构，构建带约束结构的激光增材仿真模型，并考虑了激光吸收率的变化、材料相变潜热、增材过程与外界的换热等因素的影响。结果表明：激光的空间能量密度变化和激光的空间能量输入存在竞争关系，当提高激光功率、增加功率密度对温升的效果大于增加速度、降低空间能量对温度下降的效果时，增材层温度增大；由于基体结构的非对称性及激光增材过程中传散热的综合影响，增材层与基体底面熔合的深度会大于其与侧面熔合的深度，且增材层横截面形貌为台阶式月牙形；由于热传导的滞后性及激光的快速加热和冷却等的综合作用，随着激光功率和扫描速度的增加，增材层底面形貌由月牙形逐渐过渡到平台形。

使用额定功率为1 kW的光纤激光器开展了激光直接沉积机场供油管网材料的实验研究，研究了激光扫描速度对沉积层显微组织、硬度、耐蚀性及耐磨性的影响。显微组织和硬度的实验结果表明：随着激光扫描速度的增加，沉积层厚度减小，基体发生的翘曲变形角度减小，沉积层在路径2上的峰值硬度逐渐升高。耐蚀性和耐磨性的实验结果表明，沉积层的耐磨性和耐蚀性对激光扫描速度具有非协同响应：当激光扫描速度为10 mm/s时，沉积层具有较好的耐蚀性，自腐蚀电流密度为基体的27.76%；当激光扫描速度为12 mm/s时，沉积层具有较好的耐磨性，磨损率分别为6 mm/s和10 mm/s扫描速度下沉积层磨损率的52%和42%。

为突破抽油泵内筒材料表面激光熔覆高熵合金容易形成裂纹的技术瓶颈，本研究团队建立了激光熔覆高熵合金热力耦合仿真模型，该模型以材料热物性参数随温度的变化、相变潜热、激光功率和激光扫描速度为主要自变量。仿真结果表明：由于激光熔覆过程具有局部的快速加热和冷却特性，高的温度梯度主要集中在激光熔覆区域及其附近；在激光熔覆高熵合金温度的空间分布非均匀性、激光辐照区域几何结构的非对称性等因素的影响下，x方向的最大残余拉应力大于y方向和z方向的最大残余拉应力；熔覆区域与基体结合区域存在几何结构突变及温度梯度，因此该区域存在应力集中；残余应力的形成与温度梯度、温度高低、结构约束等因素相关，因此，随着激光功率增大，熔覆层内x方向的最大残余应力增大，y方向的最大残余应力先降低后升高，z方向的残余应力增大；随着扫描速度增加，x方向的最大残余应力降低，y方向和z方向的最大残余应力均先升高后降低。随着激光扫描速度增加，在温度降低带来的热膨胀变形减小与非协调变形对应力影响的综合竞争下，最大残余拉应力增大。最后通过试验对仿真模型进行了验证，验证结果证明了模型的正确性。

采用超音速等离子喷涂技术与激光重熔工艺复合制备氧化锆隔热涂层,通过光学显微镜、扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪和硬度仪分别表征了氧化锆涂层的宏观形貌、显微组织、元素分布、物相结构以及硬度分布。结果表明,激光与等离子复合制备的涂层物相由亚稳定四方晶相与立方晶相组成。涂层的横截面呈碗状形貌,且上边缘凹凸不平。复合制备工艺消除了原超音速等离子喷涂涂层内部的层状结构以及孔隙、微裂纹,提高了涂层的致密度,且重熔后涂层与基体的连接方式变为冶金结合。重熔后得到的基体组织自上而下从条状晶、针状晶逐渐变为细小的针状晶和珠光体,热影响区组织为等轴晶。重熔涂层的平均硬度约为原等离子涂层硬度的3倍。

为了突破新型动力蠕墨铸铁本体材料不耐磨的技术瓶颈,研究蠕墨铸铁表面激光熔覆合金涂层后的微观组织和力学性能。在RuT300表面激光熔覆含有WC增强相的镍基高温合金,对样品的涂层以及结合区进行组织和成分分析,并对样品的涂层和基体进行硬度测试。涂层中WC颗粒分布不均匀,未全熔的WC颗粒作为非均匀的结晶晶核,外部有花瓣状枝晶沿WC颗粒的边界生长。Ni基WC复合涂层的平均硬度是蠕墨铸铁基体的平均硬度的4.52倍。WC颗粒的密度高于Ni基粉末,且熔池的散热具有非平衡性,使得WC颗粒在涂层中的分布及溶解程度均呈现非均匀性,WC的存在提高涂层硬度,同时为花瓣状枝晶额外提供生长晶核,有助于涂层中的颗粒相与镍基合金溶剂牢固结合,对提高涂层的硬度及耐磨性具有正向作用。

采用额定功率为3 kW的Nd∶YAG固体激光器对镁合金进行激光熔凝实验,通过金相显微镜、扫描电镜、能谱仪、维氏显微硬度计、电化学工作站等仪器表征试样的显微组织、物相、硬度和耐腐蚀性能。结果表明:在激光功率为2 kW、激光扫描速度为40 mm/s时,试样表面无裂纹和严重凹陷,熔凝区表层组织为等轴晶,内部组织为放射性枝晶;随着激光扫描速度的提高,表层等轴晶尺寸减小,熔凝区内部放射性枝晶逐渐变为非放射性枝晶;激光熔凝后热影响区组织深入基体晶界中,热影响区与基体交界处呈不规则形貌。能谱仪和线扫描结果显示,熔凝区表层元素出现烧损,导致熔凝区硬度峰值出现在靠近表层位置,且随扫描速度的提高,硬度峰值呈下降趋势,激光熔凝后,熔凝区耐腐蚀性能增强。

为了研究激光对油气管道外防腐层剥离的可行性,以及漆层清除对基体性能的影响,采用短脉冲激光器对X65管线钢上的环氧树脂防腐层进行激光除漆实验。采用三维形貌测试仪对除漆后的表面进行测试,并使用扫描电镜与能谱分析仪对试样的表面和横截面进行测试分析。两个试样经不同工艺参数的激光扫描后,漆层基本全部剥离,基体表面呈现出密集的火山口形貌,表层以下出现了带状区和裂纹区;试样A、B表层以下带状区的厚度分别约为20 μm和10 μm,裂纹区厚度分别约为100 μm和90 μm,表层硬度均小幅提升。本研究所采用的激光参数既满足了钢管除漆的要求,又对表层起到了强化作用。管道激光除漆技术在技术上是可行的,值得深入研究。

采用Nd∶YAG激光器开展X65管线钢激光深熔焊接实验,通过光学显微镜、扫描电镜、硬度仪,观察焊缝形貌,表征焊缝区域的微观组织,测量焊缝区域的硬度变化。结果表明:由于焊接偏转角度的变化影响了激光在空间中的能量分配,焊缝深度从8 mm下降至4 mm,且沿焊接厚度方向,焊缝形貌沿激光偏转角度发生了偏转;由于焊接裂纹与温度、温度梯度等相关,通过降低焊接速度,在焊缝收尾处观察到了裂纹;随着焊接速度的增加,焊接热影响区的宽度变窄,焊缝区最大硬度由472.1 HV增大到565.5 HV;熔凝区硬度分布的非对称性随着焊接速度的增大而增强。

为了研究基于光束离散的激光相变硬化蠕墨铸铁RuT300材料的应力分布状态,构建了离散激光相变硬化RuT300弹塑性本构模型,分析温度对热应力和残余应力的影响。结果表明:材料表面较大的热压应力分布与二维离散点阵光斑相对应,激光快速加热引起的材料各部分温度差异使得模型X轴路径上的热应力呈波浪形分布,离散光斑加载区域的X、Y方向热应力峰值为-635 MPa,约为Z方向的1.8倍,随着深度的增加,模型截面热应力逐渐降低;材料表面激光加载区域的残余应力大于非加载区域,X、Y方向的残余拉应力为主要残余应力,应力值在200 MPa 左右,X轴路径上X方向的残余应力最大;随着激光功率的增加,残余应力峰值增大,材料受较大残余应力影响的区域扩大,延长激光加热时间时,加载区域残余应力峰值的变化幅度在2.4 MPa内。