1 大连理工大学材料科学与工程学院辽宁省先进连接技术重点实验室，辽宁 大连 116024
2 株洲齿轮有限责任公司，湖南 株洲 412000
针对球墨铸铁与合金钢异种材料焊接界面容易形成碳偏聚进而产生裂纹的问题，通过采用连续-脉冲同轴双激光焊接工艺及填充镍基合金焊丝，实现了QT500与20MnCr5的优质焊接。研究了同轴双激光中不同脉冲激光功率（360、400、440、480 W）对焊缝成形质量的影响规律，讨论了激光作用位置向钢侧偏移（偏移量）对焊接接头界面碳元素偏聚现象的影响机制，对焊接接头力学性能、金相组织及硬度分布进行了综合分析。结果表明：同轴双激光焊接工艺可用于球墨铸铁与合金钢的焊接，球墨铸铁侧的热输入对焊缝的成形质量及力学性能的影响较为显著；由于球墨铸铁侧莱氏体及马氏体的析出，断裂主要发生在该侧的熔合区；在保证熔深稳定的前提下，分别研究了不同偏移量（0.1、0.2、0.3 mm）对接头的影响，激光作用位置向钢侧偏移能够有效减小球墨铸铁侧的热输入，避免碳元素过度偏聚，力学性能得到相应的提升，断裂位置向热影响区移动，焊缝接头的强度得到优化。
激光技术 连续-脉冲双激光 球墨铸铁 合金钢 镍基合金 中国激光
2024, 51(16): 1602102
长春工业大学电气与电子工程学院, 吉林 长春 130012
在合金钢众多成分中碳(C)属于微量非金属元素, 其含量决定了合金钢的主要力学性能, 准确、 实时掌握C元素的含量, 对合金钢的生产及分类起到关键作用。 双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS)是一种可用于在线快速分析合金钢中元素的有效手段, 不仅具有实时、 样品预处理简单等优点, 还能够增强物质的烧蚀度和信号强度, 从而提高LIBS技术的检测灵敏度。 为了减小基体效应影响, 进一步提高LIBS技术对合金钢中微量C元素定量分析的精确性, 采用多元素多谱线的修正方法, 通过DP-LIBS结合反向传播人工神经网络(BP-ANN), 建立多变量GA-BP-ANN定标法。 首先在氩气环境对合金钢样品进行DP-LIBS采集, 目标C元素选择了谱线强度变化能够体现其含量变化的C 193.09 nm处的原子谱线, 同时选取共存元素Fe, Cr, Mn和Si对应的特征谱线, 以提供更多的光谱信息, 提高C元素定量分析的准确度, 共选择15条特征分析谱线, 其中Fe元素含量丰富且相对稳定, 作为内标元素引入以减小谱线波动; 之后通过遗传算法(GA)寻优, 对C/Fe, Cr/Fe, Mn/Fe和Si/Fe的谱线强度比进行优化选择; 最后将GA选择的多谱线强度比作为BP-ANN网络的输入, 输出为目标C元素浓度值, 建立多变量GA-BP-ANN定标方法。 为比较该方法预测结果的精确性, 同时建立传统定标曲线法与以C/Fe为输入的单变量BP-ANN定标方法。 利用标准合金钢样品, 通过留一法交叉预测C元素含量值, 与内标法和单变量BP-ANN定标方法相比, 预测样品的平均相对误差分别由14.78%和14.75%减小到8.29%, 预测值与真实值之间的决定系数R2分别由0.967 4和0.974 4提升至0.989 3。 结果说明了多变量GA-BP-ANN定标法预测的C元素含量更接近于真实含量, 证明了该方法用于LIBS检测合金钢中C元素含量的可行性。
双脉冲LIBS 定量分析 低碳合金钢 多变量 Double pulse laser induced breakdown spectroscopy (DP-LIBS) Quantitative analysis Low-carbon alloy steels Multi-variable GA-BP-ANN GA-BP-ANN
北京化工大学 机电工程学院 化工设备设计研究所, 北京 100029
为了研究激光熔化沉积高性能合金钢构件的疲劳问题, 采用扩展有限元法和直接循环分析相结合的方法, 进行了典型件疲劳裂纹扩展路径的分析,并进行了剩余寿命的预测。通过中心裂纹拉伸(CCT)试样的疲劳试验获得了材料Paris公式中的参量, 并将其用于有限元模拟中。同时, 分别运用有限元模拟方法和试验方法研究了CCT、紧凑拉伸-剪切试样的裂纹扩展过程。结果表明,有限元法得到的裂纹扩展路径和疲劳寿命与试验结果吻合良好, 其中裂纹扩展路径偏转角的误差在16.54%以内, 疲劳寿命的误差在2.72%以内。该方法可以较好地预测激光熔化沉积高合金钢构件的疲劳裂纹扩展路径和剩余疲劳寿命, 具有一定的工程意义。
激光技术 疲劳裂纹扩展 扩展有限元 高合金钢 laser technique fatigue crack growth extended finite element method high alloy steel
西南交通大学材料科学与工程学院, 材料先进技术教育部重点实验室, 四川 成都 610031
采用激光选区熔化技术制备24CrNiMo合金钢,研究不同扫描策略下成形件的显微组织、相组成和热疲劳性能。结果表明:24CrNiMo合金钢的显微组织由粒状贝氏体、马氏体和少量残余奥氏体构成。不同扫描策略下成形件的相组成均为α-Fe和少量γ-Fe,扫描策略对成形件相组成的影响较小。与旋转扫描策略相比,0°直线扫描策略下晶粒的生长具有较强的取向性;旋转扫描策略改变了相邻层间的散热方向,破坏了晶粒的外延生长模式,晶粒取向随机,显示出弱织构;0°直线扫描路径与热疲劳缺口的方向平行时,该扫描策略下的成形件具有最大的裂纹扩展速率,最终裂纹长度可达到1162 μm。热应力和氧化作用是热疲劳裂纹扩展的重要原因。
激光技术 24CrNiMo合金钢 激光选区熔化 扫描策略 热疲劳性能 中国激光
2021, 48(22): 2202004
湖南工业大学机械工程学院, 湖南 株洲 412007
基于脉冲累积效应对纳秒激光精微烧蚀18Cr2Ni4WA钢进行传热分析, 并在MATLAB中进行温度场仿真; 采用波长为532 nm、脉宽为8 ns的纳秒脉冲激光对18Cr2Ni4WA钢进行烧蚀实验, 分析了脉冲累积下热传导过程; 采用单元素法分析激光能量密度、脉冲数对靶材表面几何形貌的影响规律, 并将靶材表面损伤区域分为激光烧蚀区域和热影响区域。实验结果表明: 烧蚀凹坑半径随脉冲数的增加而增大, 但半径的增大不是持续的; 在激光单脉冲能量40 mJ、10个脉冲数下, 靶材表面的机械划痕因质量流动而去除, 达到相对平整的形貌。本文对探索合金钢烧蚀特性有参考意义。
脉冲激光 激光烧蚀 合金钢 表面热影响 表面质量 pulse laser laser ablation alloy steel surface thermal effect surface quality
1 中国科学技术大学材料科学与工程学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护实验室, 辽宁 沈阳 110016
3 南昌航空大学材料科学与工程学院, 江西 南昌 330063
采用选区激光熔化(SLM)技术制备了24CrNiMo合金钢件,研究了SLM工艺参数对成形合金钢件显微组织、致密度、硬度及拉伸性能的影响。结果表明:成形合金钢的显微组织由回火马氏体和少量残余奥氏体组成;随着激光功率增大和扫描速度降低,熔池体积增大,冷却速度降低,回火马氏体板条粗化,热影响区变宽,合金钢的硬度降低;同时,成形合金钢内未熔合孔洞减少,致密度增加;当激光功率为320 W、扫描速度为750 mm/s时,合金钢的致密度最高,为99.93%;当激光功率为320 W、扫描速度为950 mm/s时,成形合金钢的拉伸性能最佳,其抗拉强度和屈服强度分别为1362 MPa和1252 MPa,延伸率为16.2%。在合适的激光成形参数下,SLM成形24CrNiMo合金钢的综合力学性能明显优于铸态合金钢。
激光技术 选区激光熔化 合金钢 显微组织 致密度 力学性能
1 中国科学技术大学材料科学与工程学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护实验室, 辽宁 沈阳 110016
3 南昌航空大学材料科学与工程学院, 江西 南昌 330063
采用激光增材制造技术制备了12CrNi2合金钢,其主要由铁素体基体和少量残余奥氏体组成,沉积层间热影响区边界明显,与沉积层内部组织相比,其内铁素体粗化而奥氏体减少。经过等温淬火热处理后,沉积态合金钢组织不均匀性消除,同时,强度亦得到明显提高。还报道了贝氏体组织形貌特征随等温淬火温度与时间变化的演化规律及其对成形合金钢屈服/抗拉强度与延伸率的影响机制,提出了获得综合力学性能最优的热处理条件。
激光光学 激光增材制造 合金钢 等温淬火 显微组织 力学性能 激光与光电子学进展
2020, 57(9): 091403
长春工业大学电气与电子工程学院, 吉林 长春 130012
碳元素是决定合金钢性能的重要元素之一。 为了提高低碳合金钢中碳元素的检测灵敏度, 在氩气氛围中利用共线双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS)合金钢样品中的碳元素进行了检测。 首先, 使用高速相机采集双脉冲实验条件下的等离子体图像, 研究等离子体形貌随脉冲间隔时间变化的演化规律, 结合双脉冲条件下获得的光谱信息, 确立碳元素的最佳脉冲间隔时间为1 900 ns。 其次, 研究了氩气吹扫条件和氩气气室条件对碳元素光谱信号强度的影响。 氩气气室能够有效屏蔽空气中二氧化碳的影响, 从而提高合金钢中碳元素分析的准确性。 最后, 采用内标法对合金钢样品中的碳元素进行定量分析。 与单脉冲得到的结果相比, 双脉冲实验条件下, 碳元素定标曲线的R2由0.983提升至0.991, 检测限由206 μg·g-1提高至110 μg·g-1, 共线DP-LIBS技术使合金钢中碳元素检测限提高了1.87倍。 恰当的脉冲间隔时间能够有效的提高共线DP-LIBS光谱特性和设备的检测灵敏度, 同时双脉冲的二次激发效果可以进一步有效的减弱实验条件波动带来的影响, 使定标模型具有更好的线性相关性。
激光诱导击穿光谱技术 低碳合金钢 双脉冲 碳含量 Laser induced breakdown spectroscopy Low-carbon alloy steels Double pulse Carbon content 光谱学与光谱分析
2018, 38(9): 2951
1 陆军装甲兵学院 装备再制造技术国防科技重点实验室, 北京 100072
2 中国人民解放军海军92601部队, 广东 湛江 524009
无损检测技术是合金钢构件激光增材制造的重要技术支撑, 是保证激光增材制造产品质量和在役安全性的关键技术, 是贯穿产品全寿命安全保证的重要技术组成。金属激光增材制造合金钢件成形、组织和力学性能不同于传统技术制造构件性能, 使得无损检测技术面临诸多挑战。综述了激光增材制造合金钢成形质量特性, 包括成形缺陷和力学性能; 基于无损检测技术, 论述了无损检测技术在激光增材制造合金钢件质量评价中的应用, 重点论述了无损检测技术在激光增材制造构件缺陷和力学性能中的应用现状; 提出了基于超声和微磁检测技术评价材料力学性能的原理、标定方法和微磁传感器设计方案; 最后总结了无损检测评价技术在激光增材制造合金钢件检测评价应用中面临的挑战和发展趋势。
激光增材制造 无损检测 缺陷 力学性能 合金钢件 laser additive manufacture nondestructive test flaw mechanics property alloy steel component 红外与激光工程
2018, 47(4): 0401001
1 中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护实验室, 辽宁 沈阳 110016
2 中国科学技术大学材料科学与工程学院, 安徽 合肥 230026
3 南昌航空大学材料科学与工程学院, 江西 南昌 330063
对两种不同O含量(5 300 ppm和350 ppm)的12CrNi2合金钢粉末进行了激光增材制造(LAM)成形, 发现低O含量合金钢粉成形后抑制了孔洞及氧化物夹杂形成, 导致合金钢抗拉强度和延伸率明显提高。
激光增材制造 12CrNi2合金钢 O含量 显微组织 抗拉强度 laser additive manufacturing 12CrNi2 alloy steel O content microstructure tensile strength
