新疆作为我国“西电东送”的关键节点, 电网覆盖面积大。受新疆恶劣天气的影响, 常规设计的金具在服役过程中出现过早失效。为进一步提高线路金具的服役寿命, 采用激光强化的方式提高材料表面的耐磨损性能, 研究激光强化处理对U型环组织及硬度的影响。根据U型环的实际工况进行了金具磨损试验, 对磨损结果进行分析。最后, 对磨损后材料的剩余承载力进行测试。结果表明, 激光硬化层为针状及板条状马氏体组织, 硬化层平均硬度为638 HV, 深度约为2.1 mm。组1中未强化U型环的平均磨损质量为19.8 g, 组3中激光强化U型环的磨损质量平均为0.9 g, 其失重量为未强化U型环的4.5%。由破坏载荷试验可知, 激光强化U型环在磨损后的剩余承载力仍高于其标称破坏载荷。

为了改善55号钢在传统淬火过程中的不足，笔者采用连续高功率光纤激光器作为热源进行辐照，以期使55号钢表面获得更好的组织和更高的表面硬度。利用单一变量原则获得了不同功率下的激光重熔与激光淬火工艺参数，研究了两者对55号钢微观组织和硬度的影响。结果表明：激光重熔比激光淬火具有更好的硬化效果。在保证试样表面平整的前提下，淬火试样获得的表面硬度和硬化层深度分别为446~520 HV、621~709 μm，而重熔试样获得的表面硬度和硬化层深度分别为480~613 HV、709~813 μm。通过分析硬化层的微观组织、物相、元素组成，发现这主要归因于重熔试样的硬化层中具有比淬火试样更多的马氏体、更均匀致密的微观组织以及更少的未熔碳化物。本研究结果为55号钢表面激光硬化提供了参考。

针对激光淬火在大型风电轴承生产中的实际需求，研制了一种功率高达15 kW的光纤耦合半导体激光淬火光源。该光源先采用915 nm和976 nm两个波段各8个宏通道冷却技术封装的半导体激光微巴条阵列作为发光单元，进行空间、偏振及波长合束，在光纤芯径为200 μm、数值孔径为0.22的光纤中实现了超过800 W的连续输出，电光转换效率整体达到45%以上。再通过19×1光纤合束器对19个800 W模块进行合束，由输出端口光纤直径为1 mm的光纤耦合输出。光束经过由微透镜阵列与聚焦镜复合的加工头，光斑匀化，最终输出了功率大于15 kW、光斑尺寸为165 mm × 25 mm的激光束，满足了大型风电主轴轴承滚道面淬火需求。

针对电力金具在服役过程中，因为服役环境复杂而导致电力金具过早失效的问题。为进一步提高电力金具的使用寿命，采用激光淬火与火焰淬火的方式对试样表面进行强化，研究不同处理方式下表面硬化层的组织与硬度，利用摩擦磨损试验机对耐磨性能进行测试，并对表面磨损形貌及磨损机理进行分析。结果表明，经激光淬火与火焰淬火处理后，原始试样的耐磨性能得到了不同程度的提高，激光淬火后磨损失重量减少了80.60%，磨损程度较轻，表现为轻微磨损；火焰淬火后磨损量减少了66.24%，表现为磨粒磨损；未处理原始试样表现为粘着磨损。

为了提高激光淬火硬化层形貌的均匀性，提出了一种基于振镜变速扫描的激光淬火光学系统。系统由QBH(quartz block head)、准直聚焦一体镜、单轴振镜和振镜变速扫描控制系统等组成。通过设定振镜扫描系统的变速区域宽度和变速系数，可实现能量中间低、两端高的“鞍形”光场分布。建立了重复变速扫描系统的等效热作用光场模型，并通过ANSYS软件模拟了45钢激光淬火过程中的温度场。重点分析了振镜扫描系统的变速系数和变速区域宽度对淬火后相变硬化层均匀性的影响。仿真结果表明，变速系数或变速区域的增大改善了硬化层的均匀性。采用千瓦级光纤激光器作为光源，进行了等变速区域不同变速系数的激光淬火实验。取硬化层深度降低至最大值90%的位置作为匀化区域的边界，变速系数为0.8时获得的硬化层的匀化区域宽度为5.1 mm，比振镜匀速扫描的匀化效果提升了约42%，实验结果与仿真结果吻合较好。

通过电磁感应器加热耦合,提高了42CrMo钢在激光淬火后淬硬层的深度和均匀性。利用MSC.Marc软件对42CrMo钢电磁感应复合激光淬火过程的温度场演变和相变过程进行研究。通过实测温度和淬火后淬硬层的深度,对数值模型进行验证,结果表明模型准确度高。采用数值模型指导工艺实验,在优化工艺下电磁感应复合激光淬硬层深度达5.9 mm。通过电磁感应复合激光淬火,工件表层更深处的组织达到奥氏体化温度,扩大了马氏体相变区域,显著提高了淬硬层的深度和均匀性,突破了单一激光淬火淬硬层深度较浅的局限性。

淬火基体中的微观晶粒不均匀性对于揭示激光淬火机理、提高淬火质量具有重要意义。基于Voronoi法建立了淬火基体的随机微晶组织模型,通过对纳米压痕实验的统计分析引入了淬火基体晶粒的不均匀性,确定了晶粒不均匀分布特性并划分了晶粒类型。由晶粒不均匀系数确定各类晶粒的材料属性。利用Python脚本程序将不同的材料属性按照概率随机赋予Voronoi元胞。建立了考虑晶粒不均匀性的SUS301L-HT不锈钢激光淬火过程热力耦合模型。计算了激光淬火温度场和热应力场,计算结果表明:晶粒不均匀性导致淬火基体应力呈现明显的不均匀性分布,基体内部相邻晶粒边界处的应力发生突变,且晶粒间的力学性能差异越大,突变现象越显著。考虑晶粒不均匀性建立的激光淬火模型为揭示激光淬火过程微观演变机理提供了一种有效方法。

针对QT700球墨铸铁齿轮激光再制造表面硬度下降、界面白口组织聚集、熔覆层易开裂和易出现气孔缺陷等再制造难点，本文提出了激光熔覆制备与激光淬火相结合的复合新工艺。通过优选材料成分接近、硬度等力学性能优良的FeCrNiCu合金，实现了QT700球墨铸铁齿轮表面熔覆层的制备。通过熔覆层组织演化分析、表面硬度对比、摩擦磨损性能评价等试验，验证了再制造熔覆层良好的力学性能。试验结果表明：熔覆层熔合良好，无气孔裂纹等成形缺陷，呈较为显著的激光熔覆快速冷凝组织特征；熔覆层顶部经淬火后，等轴晶更加细小，晶粒粒度减小；熔覆层中部的树枝晶枝干有所细化，部分枝晶分离；熔覆层底部的胞状晶尺度基本保持熔覆后的形态，但界面白口组织向部分熔解、断续分离态转变；淬火前熔覆层的显微硬度为473~589 HV，淬火后提升至666~735 HV；熔覆层淬火前的摩擦因数为0.15~0.25，淬火后降为0.05~0.15。本研究为球墨铸铁的激光再制造提供了工艺借鉴和方法参考。

目前全长热处理钢轨在使用过程中存在侧磨、压溃、剥离掉块等问题, 为了进一步提高钢轨的使用寿命, 在钢轨表面制备了4种不同深度激光的淬火层, 利用滚动接触疲劳磨损试验机对疲劳磨损性能进行了测试, 并对表面磨损形貌、断面显微组织以及磨损机理进行了分析。结果显示: 原始钢轨试样的硬度只有35 HRC, 磨损以塑性变形和疲劳剥落为主, 表面产生严重的波磨。激光淬火后表面硬度提高到62 HRC以上, 磨损机理只有表层轻微的疲劳剥落。0.7 mm淬火层试样磨损失重减少了50%, 1 mm淬火层试样磨损失重减少了71.5%, 随着淬火层深度增加, 磨损失重减少。当淬火层深度低于0.7 mm时, 淬火层边缘产生严重的接触疲劳裂纹, 只有当淬火层深度达到1 mm时, 才能完全消除宏观裂纹产生。钢轨表面的接触疲劳抗性随着淬火层深度增加而增加。

为了解决恒功率激光淬火过程中材料基体预热时间长、材料表面温度不稳定、容易发生边界熔化等问题, 设计基于非线性参数整定方法的PI控制器。首先使用了一阶惯性系统来描述激光淬火的温度模型, 接着通过阶跃响应法来辨识温度系统的模型参数, 然后提出了非线性参数整定的PI控制算法。结果表明, 这种控制方法能够在控制过程中实时调节PI参数, 并且能够准确控制激光作用区域的温度。同时, 与传统PI控制相比, 通过这种控制方法可以得到相对更好的快速性以及更小的超调量。此外, 该控制系统还具有一定的鲁棒性, 对于参数不断变化的非线性温度系统也能取得较好的控制效果。