采用1080 nm连续激光器对Q235B碳钢上的锈蚀层进行清洗，研究了激光功率以及清洗速度对清洗后试样的表面宏观与微观形貌的影响，分析了不同工艺参数对粗糙度的影响规律，并对清洗后的试样表面进行截面金相观察、元素含量以及物相分析，并结合电化学分析以及硬度检测发现，在清洗速度恒为100 mm·s^-1、激光功率为4 kW时，试样表面粗糙度最小为3.94 μm，Fe含量处于峰值，O含量处于谷值，激光清洗效果最好。当激光功率恒为7 kW、清洗速度由100 mm·s^-1增至500 mm·s^-1时，试样表面粗糙度先减小后增大，在清洗速度为400 mm·s^-1时达到最小为3.68 μm，此时激光单次扫描就能完全清洗锈蚀层，其清洗效率为20.6 m²/h。清洗后的基材表面产生重熔层，这使得锈蚀层清洗后基材表面的耐腐蚀性有相应提高，且其硬度在激光功率为7 kW、清洗速度为100 mm·s^-1时相比钢材本身提升接近4倍。在Ansys中建立连续矩形光斑激光清洗模型，并与实验结果对比分析，可以通过该模型为高功率连续激光清洗工艺参数提供选择和效果预估。

为提高激光除漆效率与质量, 采用响应面分析法对激光除漆后基体表面粗糙度进行优化研究。通过建立激光除漆工艺参数二次多项式回归模型, 验证模型适应性, 进一步对比分析最优参数除漆后的基体表面性能。结果表明, 激光功率与激光频率对基体表面粗糙度影响显著, 扫描速度与扫描次数对表面粗糙度影响较小。当2024铝合金基体的油漆厚度为100 μm时, 响应曲面分析法得出的最优参数为: 激光功率45 W、激光频率400 kHz、激光扫描速度600 mm/s、扫描次数6次。试验测得除漆后基体表面粗糙度Sa为1.739 μm, 仿真与试验误差率仅有0.6%。对比发现, 激光除漆后基体表面宏观形貌高低不平、存在激光扫描痕迹, 表面粗糙度Sa从1.319 μm增加到1.739 μm。从微观层面发现基体表面存在钝化层与隆起的熔融物, 局部区域更加光滑平整, 基体化学成分没有改变。激光除漆后基体显微硬度从平均141.59 HV降低到130.37 HV, 腐蚀速率由原来的0.008 852 0 mm/a减小到0.002 340 4 mm/a, 基体显微硬度降低, 耐腐性提高。虽然激光除漆后基体表面形貌与表面性能改变, 但对基体的再利用以及油漆的再涂装没有影响, 研究内容可为改进激光除漆工艺提供参考, 以减少基体损伤并获得更好的除漆效果。

近些年,激光加工方法被广泛用于功能性表面的制备。然而,现有的激光加工方法在处理速率、生产成本、制备表面的耐用性/可靠性方面仍有很大进步空间。本工作致力于研发一种高效激光多功能表面制备工艺。此工艺将激光表面加工与化学浸润处理相结合,先使用一定工艺窗口下的激光加工过程对表面进行预处理,再使用化学浸润过程进一步修饰微纳结构,同时改变表面能/表面化学。研究结果表明,激光加工与化学浸润共同作用下制备的微纳米化合金表面实现了超疏水性能和表面显微硬度的提升,同时该表面在海水和海洋大气环境中还展现出了优异的耐腐蚀性能。相对传统激光处理方法,所提方法在一定程度上提升了制备效率并降低了生产成本,在海洋工程领域有很好的应用前景。

为增强5XXX系铝合金表面的耐蚀性能, 利用脉冲激光沉积技术制备了Al0.8FeCoNiCrCux高熵合金(HEA)涂层。利用XRD, SEM和电化学工作站分析了Al0.8FeCoNiCrCux高熵合金的相结构、微观组织和耐腐蚀性能。结果表明: 随着Cu含量增加, 合金的相结构由BCC1和BCC2相转变为BCC1, BCC2和FCC相; 当=0时, Al0.8FeCoNiCrCux涂层沿晶间出现裂纹, x=0.25时, 涂层裂纹消失, 并且在晶间出现了浅色组织, 随着x增加, 浅色组织由点状分布转变为连续生长; Al0.8FeCoNiCrCux(x=0.25, 0.5, 0.75, 1.0)高熵合金涂层耐蚀性随Cu增加而降低, Al0.8FeCoNiCrCu0.25的腐蚀电流密为7.94×10-8 A/cm2, 仅为基材的0.17%, 腐蚀形式为点蚀, 当x增加至1时, 腐蚀电流密度增至8.21×10-7 A/cm2, 为基材的1.99%, 腐蚀形式转变为晶间腐蚀, 但仍优于基材。显然, 当0.25≤x≤1时, 采用Al0.8FeCoNiCrCux涂层可显著改善铝合金的耐腐蚀性能。同时, 其具有的高熵效应可抑制涂层中由基材的稀释行为引起的金属间化合物形成, 解决了传统涂层材料应用在铝合金表面易产生裂纹的问题。

利用飞秒激光扫描医用锆基块体非晶合金表面制备直线结构,通过扫描电镜观察分析试样表面微观形貌变化,使用接触角测量仪测量加工前后及放置3个月后试样的接触角,并同时使用X射线光电子能谱仪对表面化学成分进行测量分析,最后利用电化学工作站测试其耐腐蚀性。从测试结果可以看出:加工前的锆基块体非晶合金表面表现出一定的亲水性,通过飞秒激光处理后,变为超亲水;在室内用密封袋封装3个月后,飞秒激光加工后的表面的接触角显著增大;测量加工前后样品腐蚀时的开路电压分别为-0.96 V、-0.93 V。经飞秒加工后的非晶合金开路电压更高,与未加工样品相比耐腐蚀性更强。实验结果表明:经飞秒激光表面处理后的非晶合金具有更好的亲水性和耐腐蚀性,增强了作为医用植入体在人体内的适用性。

为了提高铝合金表面的力学和耐腐蚀性能, 利用激光沉积技术在铝合金表面制备了AlCrFeCoNiCu高熵合金涂层。使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、显微硬度计和电化学工作站, 研究了涂层的相结构、微观组织、元素分布、硬度及耐腐蚀性能。结果表明, 涂层与基材结合良好, 基材中Al元素在熔池搅拌作用下上浮, 使沉积层呈FCC相和BCC相; 显微组织为典型的枝晶结构, Cu元素在枝晶间富集; 涂层平均显微硬度为528HV0.2, 约是基材的5倍; AlCrFeCoNiCu涂层在35%NaCl溶液中的腐蚀特征为点蚀和晶间腐蚀, 耐腐蚀性优于基材。激光沉积制备的AlCrFeCoNiCu高熵合金可以改善铝合金表面性能。

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。

为了研究磁场对激光焊接的影响, 采用在焊件上方放置自制的悬挂式永磁体电磁搅拌装置提供横向旋转磁场的方法, 对纯镍Ni201薄板进行了CO2激光堆焊试验。焊后采用金相显微镜和扫描电子显微镜进行观测与分析, 并利用电化学工作站对焊接接头进行了电化学腐蚀试验。结果表明,在不同磁场强度下, 焊件均能完全焊透, 焊缝成形良好, 焊缝内部均为粗大的奥氏体柱状晶晶粒组成; 磁场强度对激光焊接接头的宏观形貌影响不大; 且随着磁场强度的增加, 纯镍Ni201激光焊接接头的凝固组织逐渐细化, 焊缝耐腐蚀性能逐渐提高; 外加横向旋转磁场通过电磁搅拌作用促进熔池的传热和传质, 增加过冷度, 提高形核率, 使晶粒细化, 提高焊缝的耐腐蚀性能。该研究为旋转磁场辅助激光焊接技术的工业应用提供了参考数据与技术支持。

在医用不锈钢中加入适量的过饱和铜离子后形成的含铜不锈钢,具有较好的生物功能。用激光合金化方法代替传统的热处理合金化方法,在不锈钢的表面形成铜钴合金层,探索一种以上的合金元素同时存在于合金层中的可能性。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪分析了合金层显微组织的结构特征。通过大肠杆菌实验验证了合金层的杀菌功能,通过盐水腐蚀实验分析了合金层的抗腐蚀能力。结果表明:当激光功率为600 W、扫描速度为400 mm/s、预置厚度为500 μm、搭接率为35%时,用铜钴质量百分比为1∶1的混合粉末制成的合金具有稳定的表面金相组织,其杀菌能力以及耐腐蚀性能较好,且合金层的硬度较基体高约20%。激光合金化方法可以代替传统合金化方法进行生物功能化医用金属的制备。

利用IPG公司YLS-6000型光纤激光器对X100管线钢进行了激光拼焊, 研究了热输入对焊接接头的宏观形貌、显微组织、力学性能及耐腐蚀性能的影响规律。研究结果表明, 随着热输入的减小(150→129→113 J/mm), 焊接接头宽度及焊缝的凹陷量均逐渐减小, 相对比而言热输入为113 J/mm时获得的焊接接头宏观形貌最佳。三种热输入条件下焊接接头各微区的显微组织类型未发生明显变化, 焊缝区和粗晶区组织均为板条马氏体, 细晶区组织以马氏体为主但存在少量的贝氏体, 混晶区组织则为贝氏体和铁素体的混合组织。热输入对焊接接头各微区硬度值的影响不明显, 焊接接头峰值硬度均位于焊缝和粗晶区附近, 为346 HV左右; 细晶区随着远离焊缝中心硬度逐渐下降, 混晶区硬度达到最低值, 为283 HV左右。三种热输入条件下混晶区内均出现软化区, 软化区宽度、硬度降幅均随着热输入的减小而减小。焊接接头的耐腐蚀性规律为: 焊缝最差, 热影响区次之, 母材最佳, 其主要原因在于焊缝区和热影响区组织内部均包含高位错密度的马氏体, 导致其耐腐蚀性恶化。