Ti-6Al-4V具有比强度高的优点,在航空航天、石油化工等领域得到了应用。但Ti-6Al-4V耐摩性差,限制了其应用。针对Ti-6Al-4V耐磨性差的问题,采用激光熔覆技术在Ti-6Al-4V基材表面通过旁轴添加与基材同质的Ti-6Al-4V丝材,同轴送入WC颗粒作为强化相的方式制备表面WC颗粒增强钛基复合材料层。研究了激光功率、扫描速度、送丝速度、送粉量等工艺参数对于表面复合材料层的影响。采用SEM、EDS以及XRD对复合材料层的显微组织进行了观察研究,发现复合材料层中主要包括α-Ti、WC、W2C、TiC、W、(W,Ti)C1-x相。

采用实验研究的方法,探究了高功率激光成形Ti-6Al-4V合金组织演化规律和力学性能。研究结果表明: 高功率激光成形Ti-6AL-4V合金的组织由贯穿多个熔覆层呈外延生长的柱状晶组成,层高熔覆约为0.8 mm,β柱状晶间有等轴晶过渡,且存在明显的层带现象。原始β晶粒内部由板条α相和板条间β相组成,晶间β相内分布有针状次生α相,晶粒间与晶粒内部并无明显的成分偏析。和低功率激光成形相比,高功率激光成形Ti-6Al-4V合金硬度和强度均较低,而后者强度高于锻件标准,表现出低强高塑特点。

研究了钛合金梯度改性修复结构在800 ℃下氯化钠、硫酸钠混合盐中的高温腐蚀行为;计算了腐蚀动力学规律;利用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等分析了宏、微观形貌和相组成。结果表明: 修复结构有较好的抗熔盐腐蚀性能,腐蚀线性速度常数仅为Ti600基材的39%,且二者的腐蚀动力学曲线均基本符合直线变化规律;Ti600表面腐蚀层呈多层结构,剥落现象严重,主要由疏松的金红石结构的TiO2和少量TiS、TiCl3等颗粒状粗大晶粒,以多面体规则形状堆垛,呈岛状分布,厚度180 μm;修复结构表面腐蚀层覆盖均匀且薄,主要为细小的TiO2和少量Cr2O3、TiS等颗粒状氧化物,可分为外疏松层和内致密层,外疏松层较薄,内致密层致密且均匀,厚度约50 μm;钛、铬的含量沿厚度方向由外向内逐渐增加,氧的分布规律相反。

利用激光熔覆制备技术,通过涂层成分设计与梯度制备方法,在Ti-6Al-4V钛合金基体上制备界面冶金结合的生物陶瓷梯度涂层。主要利用金相显微、扫描电镜、硬度计和X-射线衍射等分析手段,对制备梯度涂层的熔覆工艺、组织结构、相组成及其形成机理进行了研究。实验结果表明: 梯度涂层的成分组成分别为第一层Ti粉80%、CaCO3和CaHPO4为19%、Y2O3为1%;第二层Ti粉40%、CaCO3和CaHPO4为59%、Y2O3为1%;第三层Ti粉为0%、CaCO3和CaHPO4为99%、Y2O3为1%。在优化激光制备工艺参数条件下,成功在钛合金表面制备出了界面冶金结合、无裂纹缺陷的类生物骨组织结构的梯度涂层。涂层中的主要生物陶瓷相是CaTiO3、CaP及Ca3(PO4)2相。由于采用了钛成分含量的梯度变换设计,避免了基体和涂层及层与层之间材料因热膨胀系数、弹性模量差异过大而造成结合界面的孔洞、裂纹现象,同时保证了钛合金基体与生物骨涂层之间形成了牢固的冶金结合。

为获得高性能的涂层材料,采用TFL-H6000型横流式CO2激光成套加工机床在Q235钢表面制备高熵合金MnCrTiCoNiSix(x＝0.0、0.5、1.0)涂层,探究了Si对高熵涂层组织和性能的影响。通过金相、XRD、硬度测试等手段研究了高熵合金涂层的组织形貌,相结构以及硬度。结果表明: 高熵合金MnCrTiCoNiSix涂层主要由Fcc相结构及金属间化合物组成。添加少量的Si,可致金属间化合物减少,衍射峰强度增大,晶格的完整程度增强,涂层的硬度显著下降到200 HV左右。当x＝1时,涂层主要组织为枝状晶,同时在枝晶间出现了大量金属间化合物(Mn3Cr3)Ni16Si,而且晶格常数增大,衍射峰强度减低,涂层的表面硬度升高到300 HV左右。

为了提高蠕铁气门座圈密封锥面的耐磨性,采用3 kW固体光纤激光器在气门座圈锥面激光熔覆Stellite 1钴基合金粉末,采用正交实验的方法分析了激光功率、旋转速度、送粉量和保护气流量等工艺因素对熔覆层硬度、组织和裂纹缺陷的影响。结果表明: 熔覆层平均硬度达6.64 GPa以上,较基体提高了2.32倍以上;熔覆层与基体能形成良好的冶金结合;获得了蠕铁气门座圈激光熔覆钴基合金的最佳工艺为: 激光功率1 200 W、旋转速度3 r/min、送粉量10 g/min、保护气流量7 L/min。对上述工艺制备出的熔覆气门座圈进行了气门/气门座冲击磨损模拟试验,并与未经处理的气门座圈进行了对比试验,结果表明: 蠕墨铸铁气门座圈激光熔覆钴基合金涂层后其耐磨损性能是未处理气门座圈的2.87倍。

为了研究硬质合金表面激光微织构工艺对膜-基结合性能的影响,利用光纤激光对硬质合金表面进行了微织构造型(不同微凹坑直径、深度及密度),并选用PVD工艺利用超高真空多功能的磁控溅射系统对硬质合金织构后的表面进行TiAlN涂层的沉积;采用HXD-1000TMSC/LCD 显微硬度计测定了涂层表面的显微硬度;应用X-350A X射线应力测定仪检测了基体织构后的表面残余应力以及涂层后试样截面的残余应力。研究结果表明: 硬质合金基体激光微织构处理对涂层表面的显微硬度具有一定的影响,其中织构密度对显微硬度的影响较大;硬质合金表面激光微织构会在基体上引入残余拉应力,凹坑间距对残余应力影响很小,而织构密度对残余应力的影响较大。

在静态磁场辅助激光加工过程中,熔池内部流场、热场等实验测定比较困难,因此采用数值模拟方法计算相关参量场完整信息。以固液多相统一模型为基础,同时考虑激光熔池内部固液相变、传热与流动、表面张力、热浮力以及洛仑兹力,研究静态磁场对电磁-激光复合熔凝过程中流场的控制机理。通过COMSOL Multiphysics软件对上述物理过程的控制方程及边界条件进行耦合求解,模拟磁场强度在0.0～0.6 T范围内熔池速度场、温度场演变规律。模拟结果显示,静态磁场对速度场具有抑制作用,但对温度场影响较小。最后以316不锈钢为基体进行验证实验,对比试样表面温度随时间变化曲线,证实计算结果与实验结果吻合度较好,表明该数学模型具有一定精度,能为电磁复合激光加工工艺提供指导。

为改善激光立体成形GH4169镍基高温合金的组织和力学性能,将旋转磁场引入到激光立体成形系统中,进行了不同磁场强度下GH4169镍基高温合金的激光立体成形,分析了电磁场对沉积态试样显微组织和硬度的影响。结果表明: 电磁搅拌激光立体成形GH4169合金仍具有外延连续生长粗大柱状晶特征,组织致密,无冶金缺陷;在一定范围内,随着磁场强度的增加,沉积态组织中枝晶间共晶Laves 相呈减少趋势,且其相形貌由不规则蠕虫状变为颗粒状;枝晶间合金元素微观偏析程度也逐渐减弱。显微硬度测试结果显示随着磁场强度的增加材料硬度有所提高。以上分析表明,电磁搅拌引起的激光立体成形熔池中液态金属的强烈对流对材料显微组织有影响。

鉴于接触疲劳试验周期长、工作量大,提出了一种金属材料小滑差率接触疲劳加速试验方法,其主要步骤是: (1)用滑差率连续可调的滚动接触疲劳试验机进行试验。(2)先进行无润滑磨损实验,利用主动轴试样和从动轴试样磨损率的差异,在被测试样(从动轴试样)上预制剪切裂纹。(3)再加润滑剂,进行液体润滑接触疲劳实验。实验结果表明,在被测试样和陪试样材料基本相同的条件下,当循环周次达到约104时,被测试样表面即出现接触疲劳失效,而陪试样(主动轴试样)基本上无点蚀或剥落。激光离散熔凝可大幅提高珠光体钢的接触疲劳寿命,其机理是激光作用使珠光体转变为奥氏体与细小马氏体混合组织,这种组织具有较好的塑性,不利于疲劳裂纹的扩展。

采用选区激光熔化进行钴铬合金成型,是当今牙齿种植体制造的新方法,然而SLM成型试样表面粗糙度的累积效应对于制件的性能具有重要影响。实验首先获得了适于多道成型的单熔道以及相应的工艺参数,在此基础上进行正交实验,研究激光线能量密度(E)、粉末粒度、粉层厚度以及层间扫描策略对于多层成型制件表面粗糙度及致密度的影响规律并进行原因分析。实验结果表明P/V＞1.6时,多层成型试样的成形质量明显改善;粉末层厚是影响多层制件成型质量的最主要因素,在一定范围内线能量密度越大、小颗粒粉末比重越大、粉层厚度越小可以有效降低表面粗糙度和提高致密度;采用层错正交叠加的策略有助于熔池的浸润和铺展从而降低表面粗糙度。

为提高医用镁合金的生物相容性,采用激光熔覆技术在镁合金表面制备羟基磷灰石( HA) 生物陶瓷涂层。研究结果表明,所制备的羟基磷灰石涂层与基体镁合金呈牢固的冶金结合,涂层相组成为具有较好生物相容性的HA和Ca3(PO4)2(β-TCP);血液相容性结果表明,涂层的凝血酶原 (PT)时间约为19.508 s,而镁合金的PT值约为11.025 s,涂层的抗凝血性能远远高于镁合金;细胞培养试验结果表明,成骨细胞呈长条形和多角形均匀地铺在HA涂层表面,多见成群聚集状,这表明所制备的HA涂层是适宜成骨细胞增殖及分化的材料,具有很好的细胞相容性。

针对扭曲薄壁结构类部件易发生体积损伤而造成工程损失的实际,以体积损伤压缩机叶片模拟件激光再制造成形为目标,通过表面形貌对比、稀释率及宽高比分析,选择优化工艺参数;以成形部位截面几何参量和激光成形形状参数为指标,采用斜坡预成形工艺,对再制造成形过程进行量化控制,实现异形曲面截面特征的体积损伤部位的激光再制造成形。采用金相显微观察和测量的试验方法,对成形部位缺陷及尺寸精度进行试验分析,试验结果表明: 成形部位无气孔、裂纹等缺陷,熔覆层与基体为致密的冶金结合,再制造成形部位热影响区较小,在2～3 mm之间,成形后模拟件宽度方向尺寸精度误差在2 mm之内,两侧斜面弯曲部分成形精度误差在3°以内,其主要形状控制参数均具有较高精度。

飞秒激光在不同能量密度(0.44 J/cm2＜φ＜ 1.73 J/cm2)和脉冲个数(5＜N＜100)条件下诱导镍基合金CMSX-4表面形成了两种条纹结构,分别命名为经典条纹结构(LSFL)和非经典条纹结构(U-ripples)。非经典条纹结构形貌特征与经典条纹结构的形貌特征显著不同,条纹方向与经典条纹结构的条纹方向垂直,条纹周期(1.0～2.2 μm)明显大于经典条纹结构的条纹周期(760 nm),并且随着能量密度和脉冲个数的增加而逐渐增大。进一步研究结果表明: 非经典条纹结构只在能量密度大于热熔性损伤阈值的条件下出现,与飞秒激光的热熔性损伤直接相关,形成机制归因于表面毛细波机制。

用脉冲激光沉积法制备类金刚石薄膜的实验。首先,衬底温度分别取室温、200 ℃、400 ℃和600 ℃在Si衬底上沉积类金刚石薄膜;其次,衬底温度分别取400 ℃和600 ℃在316L医用不锈钢衬底上沉积类金刚石薄膜。用Raman光谱仪对各种参数的薄膜样品进行检测。结果表明: 在其它实验参数不变的条件下,衬底材料的改变不会导致薄膜微观结构发生明显改变;但是衬底温度升高将导致薄膜中sp2键和sp3键含量的减少、sp3/sp2比值减小、非晶态的sp2键向石墨相的转化并发生晶化、石墨晶粒的数量增多或体积增大。

采用脉冲宽度为100 ns和2.1 ps激光对厚度为0.8 mm DD6镍基单晶合金进行了表面烧蚀、加工小孔等实验。观察不同脉冲能量下材料的烧蚀形貌和直径,得到了DD6镍基单晶合金等效脉冲数为670时纳秒和皮秒激光的烧蚀阈值。对纳秒和皮秒激光烧蚀凹槽剖面进行金相观察,以确定两种激光烧蚀材料的区别。在相同能量密度条件下,纳秒和皮秒激光制孔,观察孔表面和孔壁质量。实验结果表明,纳秒激光和皮秒激光对DD6镍基单晶合金的烧蚀阈值分别为1.63、0.11 J/cm2;纳秒激光烧蚀凹槽内充满再铸层和微裂纹等热缺陷,而皮秒激光烧蚀凹槽内无再铸层且边缘材料的显微组织无任何变化;纳秒激光制孔表面存在飞溅物,孔口堆积冠状熔化物,孔壁存在微裂纹和20 μm厚的连续再铸层,皮秒激光制孔,孔表面基本无飞溅物,孔壁上存在微裂纹和间断的再铸层,孔口较圆整。

对比研究硅晶体激光直接刻蚀与水射流辅助激光复合刻蚀表面形貌,发现水射流与激光复合刻蚀能够有效去除重铸层并减少裂纹缺陷。研究了水射流流量对刻蚀微观形貌及刻槽深度的影响,结果表明,适当提高水射流的流速有利于改善刻蚀槽体的质量,同时水射流流速在一定程度上会影响到槽体深度,使槽体深度随着流速的提高出现先降后升的规律。最后对水射流的入射角与槽体截面形状关系进行了初步探讨性研究。

为分析激光冲击AZ31B镁合金薄板背面的动态响应与残余应力分布规律,采用PVDF贴片传感器对冲击波进行测量得到压电波形与动态应变响应曲线,X射线衍射仪对薄板背面冲击区域中心与其边界点冲击前后残余应力进行测量,结合冲击波的传播规律,解释了应变变化对残余应力变化的影响。结果表明,冲击波从冲击区域向冲击区域外的传播过程中,能量衰减明显。动态应变响应曲线类似正弦曲线,冲击区域在弹塑性双波加载时动态应变骤然增高,随后波动上升,最终的静态应变呈现拉应变与检测出的残余应力变化规律相符,冲击区域边缘的动态应变响应相较冲击区域变化缓和,弹塑性双波的卸载与加载过程并未引起动态应变的大幅突变,静态应变变化不大与残余应力的变化规律一致。

采用光纤激光对3 mm厚的7A52铝合金进行了焊接,用金相显微镜、扫描电镜、拉伸测试仪器、硬度计等分析测试手段,分析了焊接接头的微观分区组织及性能。结果表明: 采用优化后的工艺参数成功地采用光纤激光器对7A52铝合金进行了焊接,能够得到无明显缺陷的焊接接头,焊接接头由狭窄的热影响区、焊缝区以及母材三个区域组成,焊缝组织为细小的等轴晶组织,靠近熔合线附近的晶粒粗大;接头力学性能良好,拉伸试样均断裂在热影响区部位,接头的断口形貌显示混合型的断口特征。

为了研究激光焊接对5 mm厚异种材料45#钢与40Cr钢焊接的接头组织性能影响,利用6 kW高功率激光器在不同参数下进行拼焊试验,采用佳能7D型单反相机拍摄焊缝表面宏观形貌,采用X-350A型应力测定仪检测垂直焊缝方向的表面残余应力,通过HXD-1000型显微硬度计检测焊缝深度方向的显微硬度。结果表明: 相对其余情况,焊接速度为1.2 m/min时,焊缝表面形貌形状饱满,气孔等缺陷少,表面质量最好;离焦量为-2 mm,热输入量为210 J/mm时焊缝区出现高而窄的压应力分布,最大值为-187 MPa,能有效提高焊缝疲劳性能;离焦量为-2、-4 mm和0 mm三种情况时焊缝区整体显微硬度都比母材区高,并且离焦量为-2 mm时硬度分布最好,呈平缓减小趋势,最大值为38 HRC,比母材平均值高出14 HRC。选择适当的激光焊接参数能有效的改善45#钢与40Cr 钢焊接接头组织性能。

针对短距离激光叠焊镀锌钢板易产生气孔、裂纹、凹坑等缺陷,采用上海团结普瑞玛激光设备有限公司提供的振镜扫描式激光焊接机,在叠焊开始阶段增加一段功率缓升曲线,在叠焊末端增加一段功率缓降曲线,通过设置起始功率、结束功率、作用距离等参数,对短距离镀锌钢板激光叠焊进行工艺试验。研究发现,起始阶段的功率爬升曲线有助于改善叠焊起始阶段焊缝余高过高及裂纹问题,末端的功率缓降曲线有助于改善叠焊凹坑过深及焊接裂纹问题。

介绍了多功能光纤激光加工系统的集成与调试方法,解决了系统调试和使用过程中的关键问题。利用该系统对厚度为2 mm的304不锈钢板进行切割的工艺实验研究,对不同工艺参数下的切割质量进行了对比,找出影响切缝质量的主要因素和最佳参数,并探讨了切缝截面粗糙度与激光切割功率、切割速度的关系。同时,利用该系统对厚度为1.5 mm的304不锈钢板进行焊接的实验研究,以激光功率、焊接速度、离焦量作为变量因素,通过正交实验,找到最佳的焊接参数。这些切割与焊接参数的寻找,为下一步建立不同材料、不同厚度的切割与焊接参数的工艺数据库打下了基础。

利用低压水射流辅助激光加工的方法对多晶硅进行试验加工,测量了无水情况下以及不同射流速率下的盲孔体积,对比研究了不同射流速率下能量损失率的变化规律,并分析了变化的原因。研究表明,射流速率对激光烧蚀的能量损失率有一定影响;当速率增加到一定程度时,射流的冲蚀作用去除了熔渣以及重铸层,从而使激光与材料充分接触,提高了激光能量的有效利用,增加了盲孔烧蚀量。

采用Fluent软件建立了氧助激光切割有限元模型,通过仿真和实验发现金属熔化的周期性和熔化速率随板材高度变化的特点。基于熔化速率的变化特点,把切割端面的条纹分成了瞬间去除、快速熔化和慢速熔化等三个区域。结合辅助气流和激光热源作用,阐述了上述区域的条纹形状的特点及形成机制。

研究了一种基于掺氧化镁周期极化铌酸锂(PPMgOLN)晶体的高效紧凑型的腔内倍频全固态TEM00绿光激光器。倍频晶体选用极化周期为6.96 μm的1 mm长的PPMgOLN晶体,该极化周期对应的准相位匹配(QPM)温度为26 ℃,腔内倍频温度带宽(FWHM)为15 ℃;通过单个温度控制器来控制808 nm半导体激光器、激光晶体Nd∶YVO4、和非线性晶体PPMgOLN的工作温度在26 ℃;在泵浦功率3.6 W的情况下,产生1.84 W的连续TEM00绿光输出,光-光转换效率达到51%,1 h内的输出功率波动小于1%。

高速切削已经成为21世纪机械制造业的主流发展方向,而高速切削刀具仍然是限制淬硬钢等难加工材料的切削效率提高的关键因素。仿生摩擦学的出现,为刀具表面减摩技术带来了新的研究方向。针对陶瓷刀具、高速切削技术和微织构加工技术的发展现状,提出采用激光加工的方法实现陶瓷刀具表面微织构的加工技术。并分析了淬硬钢等难加工材料的高速切削过程中存在的问题,认为开展短波长激光加工陶瓷刀具表面微织构的研究对于该问题的解决具有重要的意义。

目的: 观察Pixel 2940 nm点阵铒激光(像素激光)治疗面部汗管瘤的疗效。方法: 临床选取门诊确诊为面部汗管瘤的患者66例,采用Pixel 2940 nm 激光,选择7×7的治疗头,长脉宽1 000～1 400 mJ/P,定点发射激光4～6次治疗汗管瘤。未完全消失皮损间隔1个月可再次治疗。结果: 术后随访1～6个月,单次治疗治愈率86.36%,总有效率96.97%。无不良反应发生。结论: 点阵铒激光(像束激光)治疗睑黄瘤疗效确切,效果满意。