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 齐鲁工业大学（山东省科学院）机械工程学院，山东 济南 250353
2 齐鲁工业大学（山东省科学院）激光研究所，山东 济南 250353
为解决高强铝合金激光增材制造过程中存在的孔洞缺陷、组织不均、晶粒粗大等难题，在摆动激光熔丝沉积的基础上引入超声能场是可行的抑制措施。搭建了超声辅助摆动激光熔丝增材制造试验平台，探究了超声功率、变幅杆压力、变幅杆输入位置对2319铝合金沉积层形貌和显微组织的影响规律并对超声工艺参数进行了优化。结果表明：变幅杆压力对沉积宏观形貌具有显著影响，随着压力的增大熔池横截面形貌逐渐趋于上宽下窄；超声参数对单道沉积层的晶粒尺寸有着明显影响，随着超声功率的增加晶粒尺寸先减小后增大，当超声功率占比（超声波发生器的输出功率占其最大输出功率的百分比）为40%时晶粒尺寸达到最小值70.9 μm。超声输入位置在熔池之后时晶粒细化效果更好，且在-10 mm处晶粒尺寸同组最低，只有80.9 μm。当变幅杆压力处于40~100 N范围内时晶粒的细化效果比较明显，晶粒尺寸在110~130 μm之间。观察多层沉积结果可知，超声的引入使得多层样品的平均晶粒尺寸降低了66.3%、增加了Al2Cu强化相的含量并且抑制了Al的滑移面生长趋势。超声在熔池中传递所产生的声流效应和空化效应是使沉积层成分均匀、缺陷减少和组织细化的主要原因。
激光技术 摆动激光 超声辅助 2319铝合金 增材制造 显微组织 中国激光
2024, 51(10): 1002315
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 南开大学物理科学学院，泰达应用物理研究院，弱光非线性光子学教育部重点实验室，天津 300071
2 山西大学极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
光学元件的小型化与集成化一直是光场调控和集成光学领域的研究重点与难点之一。光学人工微结构具有在亚波长尺度上灵活调控光场振幅、偏振、相位、频率等属性的能力。通过与片上光波导或微腔集成，人工微结构可以为实现更紧凑的片上集成光子学器件以及更精确、更丰富的光场调控提供新的解决方案和更多的可能性。本文依据片上集成人工微结构在不同环节中调控的光场类型的差异，将其分成三类进行了讨论。介绍了基于不同设计原理的片上集成人工微结构在自由空间光入射耦合、波导模式面内调控以及离片辐射场调控方向的研究进展，并对该领域的部分新兴方向进行了展望。
人工微结构 超构表面 光场调控 集成光学 微纳光学 光学学报
2024, 44(10): 1026004
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
1 广州大学物理与材料科学学院，广东 广州 511442
2 东莞材料基因高等理工研究院，广东 东莞 523808
采用激光选区熔化（SLM）技术在H13模具钢顶部沉积了一种新型3D打印模具钢材料AM40，通过扫描电镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）等方法，研究了热处理对AM40/H13双金属结构材料微观组织演变及其力学变形行为的影响。结果表明：沉积态AM40/H13双金属材料界面无裂纹缺陷，AM40侧呈现增材制造特有的Marangoni熔池特征，以及细小的胞状和柱状结构的马氏体组织，H13侧为粗大奥氏体组织，界面存在明显的组织不均匀性。经过1000 ℃淬火+560 ℃回火热处理后，熔池特征消失，H13侧形成均匀的板条马氏体，消除了界面晶粒尺寸和取向差的不均匀性，且界面处的元素扩散宽度增加60 μm。沉积态AM40/H13界面硬度为642 HV，高于AM40（529 HV）和H13（202 HV）。热处理消除了AM40/H13硬度的不均匀性，使整体平均硬度为480 HV。热处理后，AM40/H13双金属的抗拉强度从沉积态的644 MPa提高到1436 MPa，强度介于AM40和H13之间，断裂位置从沉积态的H13侧变为AM40侧，界面保持较高的强度和塑性。
激光技术 激光选区熔化 双金属结构 热处理 连接界面 微观组织 拉伸性能 中国激光
2024, 51(16): 1602304
1 西南石油大学新能源与材料学院，四川 成都 610500
2 华南理工大学国家金属材料近净成形工程技术研究中心，广东 广州 510640
3 成都新杉宇航科技有限公司，四川 成都 610500
钛基复合材料具有高弹性模量、高比强度、高耐磨性和优异的高温耐久性等特点，在航空航天领域有良好的应用前景。采用低能球磨制备了纳米TiC颗粒与TC4的复合粉体，然后使用选区激光熔化（SLM）制备了TiC/TC4钛基复合材料，分析了不同体能量密度（29~97 J/mm3）对复合材料成形质量、显微组织、显微硬度的影响，并总结了组织演变机理和TiC演变过程。结果表明，成形该复合材料的最佳体能量密度为50~70 J/mm3，在该范围内试样的最高相对密度可达99.7%，显微硬度为385~392 HV。横截面上，显微组织的晶粒呈特殊的双尺寸分布，即由初生β等轴晶和沿其外围生长的不规则共晶区组成；纵截面上，显微组织呈鱼鳞状形貌分布且熔池内存在大量流纹状组织。复合材料中存在未溶TiC（主要分布于初生β晶界附近）、共晶TiC（主要呈链状网络分布于共晶β晶界）以及沉淀析出TiC（主要呈颗粒状分布于晶粒内）。随着体能量密度的增加，链状共晶TiC向棒状转变，晶内TiC尺寸长大。共晶TiC与β-Ti没有取向关系，共晶TiC、沉淀析出TiC与α'-Ti均存在明显取向关系，即｛11-20｝α'-Ti∥｛110｝TiC。
激光技术 钛基复合材料 选区激光熔化 显微组织演变 TiC演变 中国激光
2024, 51(16): 1602301
Author Affiliations
Abstract
1 College of Electronic and Optical Engineering & College of Flexible Electronics (Future Technology), Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China
2 National Laboratory of Solid State Microstructures, College of Engineering and Applied Sciences, Nanjing University, Nanjing 210093, China
3 State Key Laboratory of Millimeter Waves, Southeast University, Nanjing 210096, China
This study investigated direct fluorescence generation from a nematic liquid crystal (NLC) NJU-LDn-4 under femtosecond laser excitation. The absorption, transmittance, excitation, and emission spectra of the NLC were assessed. The relationship between the femtosecond pump power and fluorescence intensity was analyzed, revealing a quadratic increase and indicating that two-photon absorption (2PA) is the primary fluorescence mechanism. The LC microstructure was designed using photoalignment technology, allowing the generated fluorescence to reflect the corresponding structure. This research can establish a foundation for tunable LC microstructured fluorescence, with potential applications in fluorescence microscopy and optoelectronics.
liquid crystal femtosecond laser fluorescence microstructure Chinese Optics Letters
2024, 22(3): 033801
1 中国矿业大学机电工程学院，江苏 徐州 221116
2 江苏省矿山智能采掘装备协同创新中心，江苏 徐州 221116
为了研究原位重熔对倾斜基体激光熔覆层形貌和组织的影响，首先使用有限元仿真软件对倾斜基体激光熔覆及其原位重熔过程进行数值模拟，分析基体倾斜角度对熔覆层形貌的影响，研究重熔作用下熔池速度场和温度场的分布情况以及多道熔覆层宏观形貌的变化；然后进行倾斜基体熔覆层原位重熔试验，采用光学显微镜对重熔前后熔覆层的表面形貌进行分析，采用维氏硬度计、摩擦磨损试验机及三维轮廓仪等对重熔前后熔覆层的力学性能进行研究，进而研究原位重熔作用下熔覆层微观组织的变化。结果表明：熔覆层形貌主要受重力影响，当基体倾斜角度大于90°时，熔覆层溶质会发生滴落，极大地损伤熔覆层形貌；在熔覆道搭接区进行原位重熔对熔覆层平整度的提升作用最大，重熔后的表面不平整度由0.165降低到0.056；与重熔前相比，重熔后的表面粗糙度下降了69.5%，表面硬度提升了约70 HV，磨损率降低了76.3%；重熔后，熔覆层中上部的大量树枝晶转变为等轴晶，微观组织得到了明显细化。
激光技术 原位重熔 倾斜基体 激光熔覆形貌 微观组织 数值模拟 中国激光
2024, 51(16): 1602203
1 江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013
2 重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400044
激光定向能量沉积（LDED）是受损大型关键构件几何特征修复和性能强化的典型修复技术，但其目前仍面临残余应力、孔洞和裂纹等问题。激光冲击强化（LSP）为解决以上问题提供了新思路。笔者以H13钢粉作为待沉积粉末，采用LDED技术对受损的45钢基体进行修复；然后利用LSP后处理强化LDED修复层，以解决传统LDED修复材料的质量问题。结果表明：随着LDED激光功率增大，H13钢修复层的晶粒逐渐细化，渗碳体溶解，耐磨性提升；LSP后处理会使修复层近表层的晶粒明显细化，显著降低LDED修复试样的摩擦因数，进一步提升其耐磨性。最后，笔者系统揭示了LDED+LSP激光复合再制造工艺诱导的微观组织演化（晶粒细化和渗碳体溶解）及其增强修复层耐磨性的机制。
激光技术 激光定向能量沉积 激光冲击强化 激光复合再制造 微观组织 耐磨性 中国激光
2024, 51(16): 1602202
