研究了激光修复300M超高强度钢冲击韧性及断裂机理。结果表明, 激光修复300M超高强度钢沉积态的显微组织从修复区顶部到基材区发生了显著变化, 经过热处理后显微组织发生明显均匀化, 修复试样沉积态的冲击韧性为14.3 J/cm2, 远低于300M超高强度钢锻件。经过热处理后, 冲击韧性有了显著地提高, 达到28.3 J/cm2。沉积态试样的断裂方式为准解理断裂, 主裂纹在扩展的过程中横穿马氏体领域, 且在遇到下一个领域时会发生偏转。热处理态试样的断裂方式为韧性断裂。

参考复合钢板性能试验方法, 利用压力试验机和自主设计的试验夹具配合测试激光熔覆层结合强度。借助有限元分析方法探究涂层结合面尺寸变化对结合强度的影响, 以获得最优的强度测试试样尺寸, 并通过剪切实验对试样的最优尺寸进行了验证。结果表明, 采用所设计的剪切试验装置配合压力试验机能够开展熔覆层结合强度的测试试验。涂层与剪切刀结合处受应力最大, 是最先受到剪切破坏的位置, 随着涂层结合面长度的增加其平均应力先增大后减小, 被测试样结合面尺寸大于或小于3 mm时均会产生较大的应力集中, 使得结合面提前断裂。当熔覆层厚度为2 mm、结合面长度为3 mm时, 为最优强度测试试样尺寸。

残余应力直接影响修复件性能及尺寸稳定性, 为降低修复应力, 进行了低能量输入工艺参数组合及不同扫描路径的激光沉积修复GH4169合金试验研究。通过正交试验, 研究了激光功率、扫描速度、送粉速度对沉积层熔高、熔宽、熔深以及热影响区宽度等特征尺寸的影响规律, 采用低功率参数组合以及长边扫描路径与短边扫描路径, 进行盲槽损伤试样的激光沉积修复, 并检测分析了基体残余应力的分布情况。试验表明, 相比1 400 W高功率参数, 采用600 W低功率参数的修复试样残余应力明显减小, σx的平均降幅为48 MPa, 降低14.0%; σy的平均降幅为105 MPa, 降低37.8%; 与长边扫描修复相比, 短边扫描修复的残余应力略低, σx降低了25 MPa, 降低7.8%, σy降低了38 MPa, 降低18.0%。试验结果表明, 采用低功率参数组合和短边扫描路径有利于降低激光沉积修复GH4169合金的残余应力。

为提高AlSi10Mg合金激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)成形致密度, 利用田口方法对影响致密度的主要因子(激光功率、扫描速度和扫描间距)进行优化研究, 结合孔隙形成原因和金相形貌, 从能量输入的角度分析各个因子对致密度的影响规律。引入能量密度模型, 综合表征能量输入与致密度之间的作用关系。结果表明, 三个因子对铝合金SLM成形致密度均有显著地影响, 足够的能量密度输入是AlSi10Mg合金SLM成形接近全致密的必要条件, 能量密度在4.0~6.0 J/mm2范围内时, 致密度可达98%以上。

针对数字化医学中个性化种植体基台的设计要求, 提出了将数控加工和增材制造技术相结合, 拼接制造个性化种植体基台的方法。根据拼接成型的特点, 对传统选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)成型基板进行改造, 重新确定基体、SLM基板和成型零件之间的空间关系。通过工艺参数实验, 成型表面的裂纹、粉末的球化以及剖面的裂纹孔隙等现象明显减少。利用优化的工艺参数对拼接区域的维氏硬度、拼接零件的拉伸性能进行研究。SLM拼接区域自成型顶面向下维氏硬度逐渐降低; 拼接件的极限拉伸强度和伸长率要优于完全SLM制造的试件, 试件经过热处理塑性得到了较大提高。

某型氢氧发动机二级叶轮为Ti5Al2.5Sn ELI粉末冶金压制而成, 因加工失误造成多件产品失效。为确保研制进度, 降低损失, 采用激光增材修复技术对二级叶轮超差部位进行修复, 简要介绍了修复方案和修复质量的检测试验。结果表明, 采用激光增材修复技术对Ti5Al2.5Sn ELI材料的修复区域力学性能不低于粉末冶金制备的材料基体, 此项技术为氢氧发动机关键零部件问题解决开创了新的途径。

利用热处理炉对热轧抗拉强度700 MPa级Nb-Ti微合金钢的激光焊接接头进行了回火处理, 研究了回火温度对焊接接头各个微区显微组织和硬度的影响规律。结果表明, 未处理样品焊接接头各个微区的显微组织分别为焊缝区和粗晶区均为板条马氏体; 细晶区和混晶区均为铁素体和M-A组元的混合组织, 但细晶区的显微组织更为精细; 母材的显微组织为铁素体和沿着铁素体晶界分布的碳化物。当回火温度在400～500 ℃之间时, 焊缝区的硬度变化不明显, 均在310 HV左右, 随着回火温度的升高板条马氏体束之间析出的碳化物逐渐增多, 粗晶区的硬度出现明显的降低, 由未处理样品的350 HV降低至315 HV左右; 当回火温度达到550 ℃时, 焊缝区和粗晶区的硬度均出现陡增, 硬度上升幅度约为35 HV左右, 其主要原因为该区域中固溶的Nb、Ti和C元素发生了二次析出提高了其硬度; 当回火温度超过550 ℃至650 ℃时, 焊缝区和粗晶区的硬度均出现了明显的降低, 主要是由于板条马氏体发生了明显的再结晶。在本文所研究的回火温度范围内(400～650 ℃), 回火温度对细晶区和混晶区的组织和硬度影响不明显。

针对6 mm厚低合金高强钢, 采用激光-MAG复合焊接方法研究了不同工艺参数时的焊缝热影响区冲击性能。结果表明, 焊缝热影响区组织主要由板条马氏体和针状铁素体组成; 随着激光功率的增加, 焊缝热影响区冲击功呈递增趋势, 当激光功率达到2.4 kW时, 其冲击吸收功增幅趋于平缓, 断裂模式以韧性断裂为主; 随着焊接电流的不断增大, 焊缝热影响区冲击功呈先增大后略降低的趋势, 当焊接电流为240 A时, 焊缝热影响区具有最佳冲击性能, 冲击断口具有明显的韧性断裂特征; 随着焊接速度的提高, 焊缝热影响区冲击吸收功呈不断增大的趋势; 当焊接速度为0.6 m/min时, 脆性断裂倾向明显, 而当焊接速度达到1.0 m/min时, 以韧性断裂为主。

2060铝锂合金是新一代铝锂合金中具有更低密度及更高强度的典型代表。利用高功率光纤激光填充ER2319焊丝对2060铝锂合金进行了对接试验, 借助光学显微镜、扫描电镜、显微硬度测试、拉伸性能测试等手段研究了焊缝形貌和组织特征及焊缝的力学性能等。研究结果表明, 焊接稳定性在一定程度上影响焊缝的宏观成形, 在合理的焊接工艺下, 焊接功率P＝3 kW与填丝速度w＝3 m/min保持不变, 随着焊接速度的增加, 焊缝整体的晶粒尺寸呈现变小的趋势, 枝晶臂由繁多变得简单, 等轴枝晶的二次枝晶逐渐减少甚至消失; 焊缝的平均硬度达到95.7 HV, 抗拉强度达到了345 MPa,分别为母材2060合金的63.0%和65.1%; 焊缝的熔合线附近区域是接头的最薄弱环节, 拉伸断裂沿熔合线从焊缝的下部向上扩展, 断口表现为沿晶界的韧脆混合断裂, 焊缝下部的韧性优于焊缝的上部。

为了研究不同焊接速度下的焊缝中心及铝合金母材在海水环境中的耐蚀性, 利用YAG激光-MIG电弧复合焊接设备对10 mm厚的5083铝合金进行了焊接实验; 采用体显微镜、金相显微镜及电化学工作站等设备研究了不同焊接速度下5083铝合金焊缝中心及母材的微观组织、动电位极化曲线、自腐蚀电流密度及腐蚀形貌。结果表明, 随着焊接速度的逐渐减小, 晶粒细化能力增强; 等温线清晰度增加、条数增多、宽度减小, 元素烧损量逐渐降低, 微气孔率呈先减小后增加的趋势。焊接速度v＝0.8 m/min及1.0 m/min时, 无钝化区的存在, 抗点蚀能力较弱; 焊接速度为v＝0.9、1.1 m/min及1.2 m/min时, 出现钝化区, 抗点蚀能力较强; 随焊接速度的增加, 耐蚀性呈先降低后增加的趋势。焊缝区整体的耐蚀性低于母材, 随焊接速度的增加, 腐蚀形貌由均匀腐蚀向局部腐蚀转变且腐蚀坑逐渐增大, 母材局部腐蚀最严重, 较易失效。

采用SC7750LW型红外热像仪采集了激光-电弧复合焊接高氮奥氏体不锈钢的熔池表面温度, 通过Matlab数学软件建立了基于红外热像图的三维温度分布转换程序。研究了不同热输入条件下焊缝凝固速度与焊缝凝固模式的关系, 并预测焊缝形成气孔倾向。研究了焊缝温度场与焊缝熔宽之间的相关性, 获得了焊缝熔宽值与红外热图的关系, 其熔宽计算值与实际值比较吻合。

采用300 W准连续脉冲光纤激光器对1 mm厚304不锈钢进行拼焊试验, 分析了激光峰值功率、脉宽、频率、离焦量以及焊接速度等主要焊接工艺参数对焊接质量的影响规律。结果表明, 对于1 mm厚304不锈钢准连续脉冲光纤激光焊接, 在高功率且大离焦量的情况下焊接得到的焊缝成型和力学性能均优于低功率且小离焦量下的焊接效果。在优化的工艺下进行焊接时, 焊接过程中几乎无飞溅, 并且可以得到表面均匀一致, 无裂纹和气孔且成形优良的焊缝。拉伸试验结果表明, 焊缝力学性能优良, 其抗拉强度可达682.32 MPa, 优于母材。

为解决传统玻璃焊接技术中添加焊料带来的易腐蚀、易老化等问题, 用超短脉冲激光实现了无焊料添加的玻璃叠焊效果, 并用3D显微镜、拉力仪、维氏硬度仪对焊接玻璃进行微观形貌、拉伸剪切强度、断口维氏硬度检测, 得出研究结果: 用50 W皮秒激光器对钠钙硅酸盐玻璃进行焊接,选用振镜走点阵的加工工艺解决了线阵加工中激光作用点间距过于紧密的问题, 实现了无焊料添加的玻璃叠焊效果。实现这一焊接的机理是超短脉冲激光引起玻璃的非线性吸收作用的强弱受激光重频和单脉冲能量以及阈值时间的影响, 调节合适的激光参数可实现最佳的焊接效果。当加工参数为重频120 kHz、电流100%、点阵间距0.02 mm时, 焊接玻璃承受的最大拉力达到157 N, 焊接效果最佳。

水导激光加工技术与水辅助激光加工技术是目前广泛应用与研究的两种激光水射流复合加工技术, 都可以代替传统机械加工方法对单晶硅片进行划片切割工作。但由于激光与水射流耦合方式不同, 单晶硅片切割加工效果存在显著差异。在确保激光参数与水射流参数相同的前提下, 分别采用上述两种加工方法对单晶硅片进行划槽加工, 对比研究其槽道深度与宽度、槽道截面形状、熔渣残留及热影响区等方面的差异性, 并综合分析导致差异的根本原因。实验结果表明, 相比水辅助激光加工, 水导激光加工的槽道宽而浅, 呈“V”字形, 但其槽道表面干净熔渣少, 无毛刺, 热影响区较小, 更适用于晶圆的高精划片切割加工。

采用控制变量法对5052铝合金板材进行了激光打孔实验研究, 得到了扩束比、辅助气体气压和脉冲能量等参数对激光打孔成形质量的影响规律, 并推荐了扩束比、辅助气体气压和脉冲能量等参数的合理选择范围。研究表明, 扩束比和辅助气体气压对下孔径影响较大; 脉冲能量增加, 上下孔径及锥度变大。通过合理选择扩束比, 适当选择较低的辅助气体气压、较低的脉冲能量, 可以得到孔径较小且锥度较小的微孔。

基于传统的十字型结构, 设计了一种可工作在太赫兹大气通信窗口的超介质十字型阵列多层带通滤波器, 中心频率为338 GHz, 中心频点的透射率为94.7%, 并讨论了十字型滤波器的传输特性与稳定特性。运用圆形贴片对十字型超介质滤波器进行改进构成复合十字型超介质滤波器。结果显示, 中心频点的透射率为95.8%, 3 dB带宽为73.72 GHz, 且对不同的极化方式不敏感, 并在30°范围内频率响应稳定。

为设计出性能优良的太赫兹滤波器, 设计了一种基于两个椭圆型闭合谐振环结构的极化敏感太赫兹超材料。利用 CST Microwave Studio 软件对其透射特性进行仿真。结果表明, 该超材料在x极化时, 有两个吸收峰和一个透射峰; 在y极化时, 也有三个谐振峰, 但其位置与X极化时不同。运用表面等离子体共振、磁谐振理论及等效电路模型对谐振峰产生的机理进行了分析。同时, 研究了椭圆双环的结构参数对谐振峰位置的影响规律, 外环的参数变化对低频的谐振峰影响较大, 内环的变化对高频的谐振峰影响较大。论文设计的结构对偏振敏感太赫兹滤波器的研究具有一定的参考价值。

离轴正支共焦非稳腔被广泛的用于固体板条激光器和中小功率封离型板条CO2气体激光器中。针对正支共焦非稳腔输出镜失调时易出现功率严重下降的现象, 通过数值研究不同有效菲涅耳数的正支腔在平移失调的情况下, 过量噪声因子随着失调程度的变化规律, 分析了导致这一现象的原因。数值结论显示, 当有效菲涅尔数选在［s－0.20～s＋0.20］(s为整数)范围内, 泵浦激励效率较低, 且在微小失调时, 易造成激光功率的严重下降选取; 在［s＋0.65～s＋0.75］范围内, 最有利于激光的输出功率稳定性和激励效率; 在这种情况下, 微小的下移失调, 可能更有利于输出功率的小幅度提升。

输出镜的热畸变会严重降低高功率气体激光器的输出光束质量和运行效率。针对腔镜受热均匀性的问题, 等价地数值研究了光场均匀性随着几何放大率和有效菲涅尔数两个参数的变化规律。研究结果显示, 光场均匀性随着有效菲涅尔数呈现周期性变化, 随着放大率绝对值的增加呈现准周期性的指数衰减。针对2 kW功率输出, 增益区间为1 000 mm×200 mm时, 分析得出输出半宽为80 mm或者85 mm获得最佳光场均匀性。

基于双光子吸收微制造原理和自制双光子微制造系统, 对不同激光功率和不同曝光时间下, 轴承的微加工成型性进行了研究。在photomer 3015树脂内实现了轴承的双光子聚合微加工, 通过SEM分析了滚动轴承的微观形貌。结果表明, 在同一激光功率下, 轴承的成型与曝光时间无关, 但曝光时间过长, 会影响制件的成型性; 在同一曝光时间下, 激光功率过小, 光敏材料聚合不充分, 功率过大会造成材料温度过高而无法成型; 在激光功率为0.3 mW, 曝光时间为6 ms时, 所制备的轴承轮廓清晰。微小轴承总加工时间与激光功率无关, 与曝光时间呈线性关系。

目的: 探讨Nd:YAG激光与传统药物治疗复发性口腔溃疡的疗效差异。方法: 将42例复发性口腔溃疡的患者随机分为激光处理组和传统药物处理组, 激光处理组采用Nd:YAG激光照射3 d(1次/d), 传统药物组采用复方氯己定含漱, 对治疗前和治疗后1、3、7 d的疼痛指数进行评估, 比较两组溃疡的愈合时间及溃疡治疗的有效率。结果: Nd:YAG激光处理组疼痛指数, 平均溃疡期均少于药物处理组, 差异有统计学意义(P<0.05), 两组治疗的有效率相比无统计学意义(P>0.05)。结论: Nd:YAG激光治疗口腔溃疡可有效缓解疼痛, 促进溃疡愈合。

目的: 比较Er:YAG激光和磷酸分别处理后的牙釉质与IPS e.max Press铸瓷间的粘接效果。方法: 36颗人类上颌前磨牙随机分为3组, 第1组: 37%磷酸处理; 第2组: Er:YAG激光(120 mJ/10 HZ)处理; 第3组: Er:YAG激光刻蚀后磷酸酸蚀。应用扫描电子显微镜显示分析各组处理后的牙釉质形态变化, 并使用万能力学测试机记录抗剪切强度值。结果: 37%磷酸处理组抗剪切强度值最高(25.92±0.97 MPa), 与Er:YAG激光单独处理组差异无统计学意义(P＞0.05), 激光与磷酸联合组呈现最低值(17.53±0.79 MPa), 与其他组相比差异皆有统计学意义(P＜0.05)。结论: Er:YAG激光单独处理的牙釉质与IPS e.max Press铸瓷间粘接效果同磷酸酸蚀方法相似, 在粘结铸瓷前代替传统酸蚀处理牙釉质方面是有潜力的。

目的: 通过微渗漏实验和超微结构观察, 比较Gluma脱敏剂和Nd:YAG激光脱敏对流体树脂充填楔状缺损后边缘密合性的影响。方法: 选取30颗正畸拔除前磨牙随机分为对照组、Gluma组和Nd:YAG激光组, 并制作楔状缺损洞型, 对照组牙本质不作任何处理, Gluma组和Nd:YAG激光组分别用Gluma脱敏剂和Nd:YAG激光脱敏处理, 涂布自酸蚀粘接剂, 流体树脂充填, 经热循环后用1%亚甲蓝染色, 24 h后将每个离体牙由颊舌侧沿牙体长轴切成三部分, 体式显微镜下观察微渗漏情况, 并用扫描电镜观察粘接界面的超微结构。结果: Gluma组微渗漏值最小, Nd:YAG激光组微渗漏值小于对照组, 3组间充填体微渗漏差异均具有统计学意义(P＜0.05)。扫描电镜下观察可见, 对照组: 树脂与牙体间结合较紧密, 部分处可见小缝隙, 粘接剂渗入牙本质小管间形成大量锯齿状的短突和少量细长圆柱形树脂突; Gluma组: 树脂与牙体间结合紧密, 无缝隙, 牙本质小管被致密的栓塞样凝集物封闭, 粘接剂层与凝集物层融为一体, 混合层较宽; Nd:YAG激光组: 树脂与牙体间结合紧密, 可见一薄层粘接剂, 未见明显树脂突。结论: Gluma脱敏剂和Nd:YAG激光脱敏均可减小楔状缺损充填后边缘微渗漏情况, 增强流体树脂与牙体间的密合性, Gluma脱敏剂影响最大, Nd:YAG激光在减小龈壁微渗漏方面具有优势。

目的: 探讨椎间盘镜下钬激光联合灯盏细辛注射液硬膜外注射治疗腰椎间盘突出症的临床应用价值。方法: 采用前瞻性队列研究, 将2015年1月～2015年10月间行椎间盘镜下钬激光联合灯盏细辛硬膜外注射治疗腰椎间盘突出症的共48例患者纳入研究。采用Joimax椎间盘镜系统和Lumenis脉冲式钬激光。经椎间盘镜行后路椎板减压, 钬激光光纤导入病变椎间隙, 对髓核组织进行汽化, 并且将灯盏细辛注射液行硬膜外注射。采用ODI评分评估临床疗效, 术后3个月、1年分别门诊随访。结果: 所有病例无并发症, 无腰腿痛复发, ODI评分术前(52.12±3.84)分, 术后3月的(24.22±4.61)分, 术后1年的(23.58±2.98)分。术后3个月以及1年与术前相比, ODI评分均有统计学差异(P＜0.05)。结论: 椎间盘镜技术与钬激光应用的结合, 手术创伤小, 是一种微创治疗腰椎间盘突出症安全且行之有效的方法, 术中联合灯盏细辛硬膜外注射, 可迅速减轻硬膜外腔炎性水肿, 提高手术疗效和手术耐受性。