利用激光熔覆同轴送粉技术在TC4合金表面制备了不同CeO₂含量的Ni60A复合涂层，以此提高TC4合金的耐腐蚀性。通过XRD、SEM、EDS等对CeO₂/Ni60A复合涂层进行了表征与测试，结果表明：适量的稀土氧化物CeO₂可以细化晶粒，改善涂层内部的组织分布，并且促进NiTi、Ti₂Ni和TiC等增强相的生成；在电化学检测中，CeO₂的质量分数为3%时CeO₂/Ni60A涂层表现出较为优异的耐腐蚀特性，其自腐蚀电流密度I_corr为2.110×10^-7 A·cm^-2，极化阻抗R_p为190674.0 Ω·cm^-2；稀土氧化物CeO₂在Ni60A涂层中主要聚集在晶界处，以减小涂层与腐蚀介质的接触面积，降低涂层内部的残余拉应力，从而保护钝化膜，最终提升涂层的耐腐蚀性。

为了利用激光超声技术检测样品表面裂纹深度, 本文基于有限元分析软件(COMSOL)的热-固耦合物理场, 建立激光超声无损检测模型, 进行了不同深度裂纹的检测仿真,在此基础上根据超声波在金属中的传播规律推导出裂纹深度定量计算公式并用实验进行计算裂纹深度, 得出计算公式具有较高的正确性。结果表明: 随着裂纹深度的增加, 裂纹底端反射横波SR也随之增加, 两者成线性关系; 本文所提出的裂纹深度定量公式具有较高的正确性, 裂纹深度定量相对误差不超过7%。

本文以Inconel 718合金(国内牌号: GH4169)为原材料粉末, 运用SLM技术, 在激光工艺参数均相同的情况下, 采用四种不同扫描策略成形多结构特征样件。在光学显微镜及扫描电镜下观察各表面显微形貌, 对不同扫描策略下成形样件进行表面质量分析, 并对成形件上表面和侧表面成形质量影响机制对比分析。结果表明, 蛇形扫描方式成形件上表面质量最好, 各扫描方式成形件上表面质量均优于侧表面, 表面粘粉是影响侧表面粗糙度的主要因素。

利用激光熔覆技术在42CrMo钢表面制备了Stellite-6钴基涂层,然后在不同的温度下对涂层进行热处理,探究了热处理温度对涂层显微组织、硬度、耐蚀性和摩擦学性能的影响。结果表明:热处理能有效减小涂层内部的残余应力,消除裂纹、孔洞等缺陷;在900 ℃下进行热处理后,FCC结构的钴演变为HCP结构的钴,亚稳态M7C3型碳化物演变为稳态M23C6型碳化物;经过900 ℃×1 h的热处理后,涂层的近表面硬度是未热处理涂层的1.5倍,约为1300 HV;未热处理涂层的摩擦因数为0.42,磨损机理主要表现为塑性变形、犁沟及脆性剥落;热处理后,涂层的摩擦因数降至0.29,磨损机理主要为磨粒磨损和黏着磨损;热处理后生成的稳态M23C6型碳化物具有强化合金、提升涂层力学性能的作用;未热处理涂层与热处理涂层的自腐蚀电流密度均约为3.3×10 -3 A·cm -2,自腐蚀电位均在-0.29 V左右,单个容抗弧特征近乎重合。热处理过程中发生的再结晶和晶粒尺寸变化、马氏体相变对钴基涂层耐蚀性的影响不大。

利用激光熔覆技术在TC4钛合金表面制备钴基/氧化石墨烯(GO)复合熔覆层,保持扫描速度V1=6 mm/s,送粉速率V2=1.2 r/min,光斑直径D=4 mm不变,设置4组功率P1=1000 W、P2=1300 W、P3=1600 W、P4=1900 W,研究了激光功率对钴基/GO复合熔覆层微观组织及力学性能的影响。结果表明:熔覆层中主要包含TiC、Co2Ti、γ-Co、α-Ti和Cr3C2相,GO在低功率下与TC4基体原位生成TiC,同时与半固态的Co2Ti组织共同作用,GO在高功率下迅速分解,熔覆层成分主要为Co2Ti组织。当激光功率为P2=1300 W时熔覆效果最佳,成形组织均匀,与TC4基体呈冶金结合,熔覆层硬度高达1100 HV0.2,几乎是基体硬度390 HV0.2的2.82倍。

为提高42CrMo合金的耐腐蚀性能,采用激光熔覆工艺在不同的激光功率下于其表面制备Stellite-6涂层,然后采用浸泡实验、电化学方法研究Stellite-6涂层在3.5%NaCl溶液中的平均腐蚀速率与电化学特性,结合扫描电子显微镜对浸泡后试样的微观形貌进行分析。结果表明:不同激光功率下熔覆的Stellite-6涂层的平均腐蚀速率均远低于42CrMo基体材料的平均腐蚀速率,且涂层在NaCl溶液中的腐蚀行为以点蚀为主;激光功率对熔覆层质量有较大影响,当激光功率为2500 W时,开路电位为-0.15 V,自腐蚀电流为3.294×10 -3 A/cm 2,阻抗为6742.5 Ω·cm 2,此时熔池的形核率以及晶粒生长速率较大,晶粒细化,熔池区域的组织主要为细小的等轴晶,组织致密均匀,Stellite-6涂层的耐腐蚀性能最佳。腐蚀表面产生的Cr3C2钝化膜层使阳极活性受到抑制,钝化膜的保护作用明显,从而提高了涂层的耐腐蚀性能。

针对单道激光熔覆,利用数值模拟技术得到了激光熔覆过程的温度场;在Q235钢表面制备了Ni基激光熔覆层,基于材料相变理论分析了熔覆层不同深度位置微观组织的形成机理,并研究了添加CeO₂、TiO₂纳米颗粒对熔覆层组织的影响。结果表明:在激光熔覆过程中,在激光辐照和热传导的共同作用下,熔覆层和基体不同深度区域因温度变化的差异而发生不同类型的相变,从而得到不同的微观组织;在熔覆粉末中添加CeO₂、TiO₂纳米颗粒,可以通过影响材料的相变过程而改变熔覆层的化学组成和微观结构,提高形核率,得到组织均匀细小的熔覆层。

基于热-结构间接耦合非线性有限元分析,在不同的激光工艺参数下,利用ANSYS生死单元技术对激光熔覆的温度场和应力场进行了数值模拟,研究了激光功率和扫描速度对温度场和应力场分布规律的影响。结果表明,通过分析有限元模型的温度分布规律和试件金相组织的形貌特征,验证了该模型的可靠性;熔覆层温度变化分为脉冲式急速上升和呈双曲线形状下降两个阶段;沿激光扫描方向,熔覆层表面多个节点的温度-时间曲线具有逐渐增大的峰值;熔覆层与基体结合面中部沿Z轴方向,靠近固定端应力较大,基底中部沿X轴方向应力呈W状对称分布,自由端中部沿Y轴方向,熔覆层和基体结合处易产生应力集中和突变。

通过同步送粉方式在Q235钢基材表面制备了添加不同质量分数纳米TiO₂和CeO₂的Ni基激光熔覆层,分析了熔覆层的表面形貌、显微组织和物相组成,并测定了熔覆层的硬度和耐腐蚀性。结果表明,在Ni基合金粉末中同时加入TiO₂和CeO₂,可以充分发挥二者的性能,得到组织均匀细密、无裂纹、耐腐蚀性较高的熔覆层,也可改善Ni基激光熔覆层的组织结构并提高其性能。

采用正交试验研究了42CrMo合金表面单道轨迹激光熔覆的Stellite6涂层，分析了激光功率、扫描速度、送粉速率、光斑直径对熔覆层稀释率和显微硬度的影响及主要影响因素之间的交互作用。结果表明，激光功率对熔覆层稀释率的影响最大，而扫描速度对熔覆层显微硬度的影响最大。综合熔覆层稀释率和显微硬度的评价得到的最优工艺参数组合为激光功率1100 W，扫描速度8 mm·s-1，送粉速率1.2~1.4 rad·min-1，光斑直径3.7 mm。