利用激光熔覆技术, 在钛合金基体表面制备Ni/Ti涂层和Ni/Ti-Al2O3涂层, 用显微硬度计和多功能摩擦磨损试验机分别对涂层的显微硬度分布情况和涂层的摩擦磨损性能进行了测试。结果表明, Ni/Ti涂层、Ni/Ti-10%Al2O3涂层和Ni/Ti-20%Al2O3涂层硬度平均值达到720、760 HV0.1和800 HV0.1, 使基体硬度提高了一倍多。涂层的摩擦磨损试验表明, 摩擦过程中存在跑合期、平缓增长期、快速增长期和平稳期四个阶段, 涂层的磨损量要低于基体的磨损量, 而摩擦系数要高于基体的摩擦系数。

采用激光熔覆技术在45#钢基材上制备碳化钨/钴基合金复合涂层, 借助XRD、SEM以及硬度测试和室温耐磨实验, 研究复合涂层的组织和耐磨性能。结果表明, 碳化钨/钴基合金复合涂层的组织由固溶体枝晶与枝晶间共晶组织组成, 其枝晶间共晶组织的碳化物含量比钴基合金涂层高; 与钴基合金涂层相比, 碳化钨/钴基合金复合涂层的显微硬度和耐磨性能均明显提高, 且磨损失重减少了48%; 钴基合金涂层的磨粒磨损机理主要为微观切削, 碳化钨/钴基合金复合涂层的磨粒磨损机理主要为挤压剥落。

采用水雾化316L不锈钢粉末, 开展选区激光熔化(SLM)成型工艺试验研究, 以期获得高致密度316L不锈钢试样。在层厚50 μm、点间距65 μm的条件下, 研究了激光功率、曝光时间、线间距对致密度的影响, 探讨了体能量密度对第一层表面粗糙度Ra及块体致密度的影响规律。研究结果表明, 单层试验表面粗糙度Ra随着体能量密度的增大而呈减小趋势, 当能量密度大于60.92 J/mm3时第一层表面粗糙度Ra保持在4 μm以下, 其中线间距对单层试验表面粗糙度Ra影响最明显, 随线间距的减小Ra值呈减小趋势; 成型件致密度随体能量密度的增大呈先增大后稳定趋势, 在激光功率200 W、曝光时间130 μs、线间距0.1 mm条件下获得相对致密度98.26%的试样; 能量密度较小导致层与层之间形成小孔、线间距太宽导致形成的间隙和热应力引起的裂纹是影响致密度最主要的原因。采用不同线间距成型, 得到抗拉强度593 MPa, 断后延伸率34.4%, 断面收缩率29.1%的拉伸样件。

采用有限元方法模拟研究了基体预热下多道多层激光沉积修复GH4169合金温度场和残余应力的分布及变化规律。结果表明, 基体经300 ℃预热后, 修复区温度梯度明显减小; Von Mises 热应力最大降幅为13.2%, x方向热应力最大降幅为12.9%, y方向热应力最大降幅为20.1%。进行了在相同条件下激光沉积修复试验和应力测试, 残余应力模拟结果与测试结果最大误差为8.6%, 表明模拟与测试结果是基本吻合的。

为了探究倾斜基体激光熔覆中基体表面能量的分布规律, 利用米氏散射理论法建立了倾斜基体表面上的激光功率密度分布的数学模型, 以及激光功率密度峰值和峰值偏移量的数学模型。结果表明, 随着倾斜角度的增加, 激光功率密度会逐渐减小, 并且减小幅度逐渐增大; 激光功率密度峰值会发生偏移, 偏移量也随着倾斜角度的增加而增加, 且幅度逐渐增大。用试验对模拟结果进行验证, 获得的规律是一致的。

激光熔覆与工业机器人结合形成的激光增材制造具有快速、柔性等特点, 能够适用于航天航空领域大型复杂金属构件的高效低成本制造。对一种同轴送粉式的激光增材制造设备的控制系统进行了设计与研究, 包括硬件组成和软件设计两部分, 关键解决了机器人与激光器、送粉器之间的通信与协调问题。系统以S7-1500 PLC为控制核心, 通过PROFINET总线实现PLC主站与激光器、机器人等从站及HMI间的实时高速通讯, 可实时调节激光功率P、扫描速度V、送粉速率F等工艺参数, 设计的操作界面可方便快速地实现对熔覆过程重要参数的监控和报警过程的在线处理。

在激光增材制造过程中, 光致等离子体的辐射强度、温度及电子密度对入射激光能量的传输效率及增材的成形质量、组织性能都有很大影响, 对光致等离子体进行分析具有重要意义。使用光纤光谱仪建立了同轴送粉金属直接沉积的光谱采集系统, 采用光谱诊断分析方法对不同工艺参数下的等离子体温度和电子密度进行计算, 得出激光增材制造过程中不同实验条件下, 激光功率、送粉量、扫描速度以及增材层数等参量对等离子体的辐射强度、温度及电子密度间的影响规律。通过本文的研究, 有助于理解激光增材制造过程光致等离子体形成机理及影响因素, 为实现激光增材制造过程质量自动控制打下基础。

恒弹性合金因其在一定温度范围内弹性模量几乎不随温度变化的特点, 在精密仪器仪表等制造领域应用越来越广泛, 其表面加工的要求也越来越高。为研究飞秒激光在不同加工环境下对恒弹性合金的烧蚀情况, 对比了两种加工条件不同的烧蚀实验。空气环境中; 用150 μm薄玻璃片压贴在样品表面, 烧蚀方式分为定点烧蚀和刻槽两种, 用共聚焦显微镜和扫描电镜测量了烧蚀后的恒弹合金形貌。结果表明, 采用定点烧蚀的加工方式时, 相同激光参数下, 空气中烧蚀坑的直径最小, 深度最大; 玻璃片约束下的坑的直径最大, 深度最小, 当激光能量为50 μJ, 脉冲数为100个时, 该约束下烧蚀坑的深度缩减量可达44.0%。采用刻槽的加工方式时, 在空气中的槽的深度大, 宽度较大, 在玻璃片的约束下, 加工的槽的深度和宽度都减小, 当激光能量为50 μJ、扫描速度为1.5 mm/s时, 其深度缩减量可达47.2%。

分别采用激光焊接(LBW)和熔化极活性气体保护焊(MAG), 焊接板厚为10 mm的14MnMoNbB低合金高强钢对接接头, 并对两种焊接接头的显微组织及力学性能进行了对比分析研究。研究结果表明, 两种焊接方法在优化焊接工艺条件下都实现了全熔透焊, 且得到了正反表面成型良好, 无裂纹、气孔等宏观缺陷的焊接接头; 激光焊接焊缝显微组织主要为板条马氏体, 热影响区为由细小的板条马氏体淬火区和铁素体加贝氏体组成的二次回火区组织, 而MAG焊缝主要为细小的针状铁素体组织, 热影响区主要由粗大的板条马氏体组成, 两种接头热影响区晶粒尺寸都沿熔合线到母材方向逐渐减小, 但LBW接头的平均晶粒尺寸明显小于MAG焊接; 激光焊接接头焊缝处显微硬度明显高于母材, 无接头软化现象, 而MAG焊接头焊缝处显微硬度低于母材, 且热影响区硬度高于母材; 激光焊接接头拉伸强度与母材相当, 试样断裂位置位于远离焊缝的母材, 而MAG焊接接头拉伸强度略低于母材, 断裂于焊缝区; 两种焊接接头都有良好的冲击性能, 但激光焊接接头的冲击性能要略优于MAG焊。

通过中心复合设计方法设计试验方案, 基于响应面法建立了SPCC与65Mn异种金属激光焊接工艺参数与平均熔宽之间的数学模型, 分析了各焊接参数对焊缝平均熔宽的影响, 并对激光焊接工艺参数进行了优化。结果表明, 对平均熔宽影响最大的主效应是焊接速度, 交互效应是焊接速度与离焦量。当激光功率为3.6 kW、焊接速度为1.6 m/min、离焦量为1.2 mm时, 焊缝平均熔宽最大。在此优化工艺参数下进行试验, 平均熔宽为1.22 mm, 试验结果令人满意。

试验采用TIG填丝焊和CO2激光焊两种工艺方法对08Al钢进行对接焊, 通过电化学腐蚀试验研究两种焊接接头的母材、热影响区及焊缝区的耐蚀性能。结果表明, CO2激光焊接头热影响区的耐蚀性优于母材, 母材的耐蚀性优于TIG填丝焊热影响区, TIG填丝焊热影响区的耐蚀性优于CO2激光焊焊缝区, TIG填丝焊焊缝区的耐蚀能力在所有测试区域中最差, 腐蚀表面点蚀坑最多。分析认为, 焊缝区和热影响区受热输入量的影响不同, 导致焊后晶粒尺寸、组织形态及分布不同是耐蚀性存在差异的主要原因, 焊缝合金元素含量和焊后残余应力对金属耐蚀能力的影响并不明显。

为了研究活性焊接技术增大低功率激光焊接接头性能的可行性, 提高小功率激光焊的焊接效率和降低成本, 采用活性激光焊接法, 针对SiO2和Cr2O3活性剂的添加对车体用不锈钢焊接性能的影响进行了理论分析和试验研究, 并与无活性剂焊接试件进行了对比, 取得了焊缝成形、接头显微组织、力学性能及元素分布等方面的研究数据。结果表明, 活性剂的涂覆有效提高了试样对入射激光能量的吸收, 增大了作用于试样的激光功率密度, 进而增加了焊接熔透性。在同一参数条件下, 涂覆适宜厚度SiO2和Cr2O3活性剂试件的焊缝熔深均大于未涂覆活性剂试件。在活性剂的作用下, 接头微观组织仍主要为等轴晶与柱状晶, 但热影响区略有增大。与Cr2O3活性焊接试件及无活性剂焊接试件相比, SiO2活性激光焊接试件的晶粒更细小致密。同时, 活性剂及其涂层厚度对焊缝表面形貌和接头抗拉强度也均有一定的影响, 涂层厚度为0.045 g/cm2 的SiO2活性焊接试件的焊缝平整连续、鱼鳞纹致密均匀成型质量最好, 且接头抗拉强度也最大。此外, 由能谱分析两活性元素在接头中未显著改变焊缝的化学成分相对含量。因此, 适宜活性剂的添加有效改善了低功率激光焊接不锈钢试件的综合性能。

超薄不锈钢在航天、医疗器械、日用品中的应用日趋广泛, 对其激光焊接质量也提出了更加苛刻的要求。由于材料很薄, 易于汽化穿孔, 要想得到连续、无烧穿的焊缝, 关键是对参数的精确控制。采用光纤激光实现了0.2 mm厚1Cr18Ni9Ti 不锈钢片的对接及搭接焊。研究了激光功率、焊接速度、离焦量、脉冲频率、占空比等工艺参数对焊缝表面成形的影响规律, 并对焊缝显微组织及接头力学性能进行了考察。结果表明, 在连续焊模式下, 即使采用非常小的热输入, 也无法避免焊缝起始及收尾处出现的烧穿; 脉冲焊模式下, 热输入一定时, 采用低的脉冲频率、占空比及焊接速度相比高的脉冲频率、占空比及焊接速度可以有效减少单脉冲能量, 从而避免焊缝在起始及收尾处的烧穿。在优化的工艺参数下可得到表面成形良好、无烧穿的对接及搭接焊缝。焊缝中心区由柱状晶与等轴晶组成, 几乎不存在热影响区, 对接接头抗拉强度可高于母材, 搭接接头经拉剪测试断于母材。

为了研究高强钢激光焊接线能量对HAZ奥氏体晶粒长大的影响, 运用ANSYS有限元软件模拟了激光焊接时的三维瞬态温度场, 结合热循环曲线和HAZ奥氏体晶粒长大的特征, 确定了高强钢激光焊接HAZ奥氏体晶粒长大的动力学方程参数, 并分析了不同线能量对HAZ奥氏体晶粒长大的影响, 其理论计算结果与试验结果相吻合。结果表明, 激光焊接高强钢时, HAZ奥氏体晶粒长大现象明显。激光焊接线能量对HAZ奥氏体晶粒长大有直接影响, 在一定范围内, 随着焊接线能量的增加, HAZ奥氏体晶粒长大越显著, 主要是随着焊接线能量加大, 焊接热输入量增加, HAZ峰值温度及晶粒粗化温度区间持续时间长的作用。

与传统激光加工技术相比, 水导激光加工技术有着很多优势。根据水导激光加工的特点, 对半导体单晶Si片建立了水导激光打孔的热力学模型, 基于ANSYS二次开发语言apdl对其进行了加工过程的温度场和应力场的仿真, 并与有着相同激光参数的传统激光打孔进行对比。结果表明, 水导激光加工冷却更快, 由于水的强冷却作用, 水导激光打孔产生的热影响区更小, 用仿真的方法直接证明了水导激光打孔产生的热应力更少。

ZnS材料具有良好的光学和电学性能, 是一种重要的半导体材料, 在电学, 光学和催化领域有巨大的应用前景。研究了飞秒激光能量和扫描速度对ZnS表面形貌及其疏水性能的影响规律。研究发现, 随着激光能量增加沟槽深度和宽度增加, 同时沟槽深度变化更为显著; 扫描速度减小时, 沟槽深度和宽度增加, 沟槽边缘质量更好。在此基础上, 研究了扫描速度对ZnS表面湿润特性的影响。实验结果表明, 扫描速度越小, 沟槽形貌越粗糙, 其表面疏水性能更强, 实验获得的最大疏水角为140°。

在对人造皮革的激光加工中, 利用长脉冲激光加工人造合成革产生结构破坏难以解决, 因而利用超快激光对PU合成革材料打孔的物理加工方式。选用脉宽为400 fs, 重复频率为50 kHz的激光进行打孔, 结合有限元分析软件仿真, 分析不同布孔方式的应力分布和气体流量, 得出正方形的布孔方式具有比较高的抗撕裂能力和透水气能力; 然后通过调整激光功率、离焦量、波长、扫描线速度以及所打孔的大小, 布孔方式等, 寻找出一组对激光仪器适合的具体参数, 并对不同布孔方式的皮革进行抗撕裂强度和透水气性检测试验确认排列方式带来的影响与仿真吻合, 最终改变孔数使得到的PU合成革满足透水气性提高15%, 抗撕裂强度不低于未处理材料60%的要求。

为了深入研究恒弹合金的飞秒激光烧蚀工艺, 探索了飞秒激光在甘油介质中对恒弹性合金进行烧蚀的规律。因为激光烧蚀诱导产生的气泡在液体辅助烧蚀中扮演了一个重要角色, 因此在实验中使用了粘度较大的甘油溶液, 以研究气泡对于烧蚀规律的影响。在进行烧蚀时, 采用不同的离焦量分别打点, 以研究溶液介质对于激光聚焦点位置的影响。实验表明, 在甘油溶液介质中对样品表面烧蚀时, 孔深的变化比之在空气中烧蚀差别很大, 在离焦量由正到负的过程中出现了两个孔深峰值, 分别位于正负离焦量区间, 并且在零离焦量附近达到极小值。而孔径的变化则基本呈现聚焦点位置越深入样品表面内部越大的趋势。根据对实验过程和结果的观察分析, 这主要是由于气泡对激光烧蚀能力产生了很大的影响, 从而导致了液体辅助烧蚀与在空气中烧蚀截然不同的结果。

随着光信息技术的发展, 长周期光纤光栅(LPFG)凭借其插入损耗小、传感灵敏度高, 体积小等优点, 广泛应用于光纤传感和光纤通信等领域, 成为最具有发展前途的光子无源器件。作为加工光纤传感器等重要功能器件的飞秒激光, 其在透明介质内部的三维结构加工上具有高峰值功率、热效应小等得天独厚的优势。介绍了采用飞秒激光刻写不同扭转周数的扭转型长周期光纤光栅, 并分析了其扭转特性。通过对比扭转2、4、6和8周的长周期光纤光栅的扭转调控实验结果, 发现8周的扭转型长周期光纤光栅在单方向上主谐振峰波长对扭转率的响应灵敏度达到了117.4 pm/(rad/m), 线性度达到了0.999 5, 波长调控范围约12.33 nm, 非常适合波长和带宽调控。实验研究了8周扭转型长周期光纤光栅的曲率特性, 发现这种方式下刻写的扭转型LPFG在大曲率(13)各个方向下, 光谱0°和180°相似, 90°和270°相似, 但是这两对光谱差异很大, 即该光栅依然有各向异性。

通过化学腐蚀辅助飞秒激光改性的方法, 在普通单模光纤(SMF-28)上加工了一种V槽型全光纤马赫泽德尔干涉仪(MZI)传感器件。该器件具有良好的光谱特性, 条纹可见度达到6 dB; 此外, 还具有优异的折射率和温度传感特性。当外界折射率在1.33～1.45变化时, 线性拟合得到其灵敏度高达8 225 nm/RIU, 线性度高达0.997; 在水中, 当温度由25 ℃变化到60 ℃时, 其温度灵敏度高达1.805 nm/℃。研究表明, 该传感器结构紧凑, 易于加工制造, 并且具有极高的折射率灵敏度, 特别适用于溶液折射率检测。

针对3D打印技术在个性化制造、轻量化设计以及加工工艺等方面的优势, 通过三维设计软件的建模和有限元分析软件的仿真模拟, 实现3D打印技术对冬季运动头盔的个性化和轻量化设计。基于运动员的人体数据实现冬季运动头盔内衬的个性化制造, 通过3D扫描仪扫描人体头部数据, 利用3D打印技术成形复杂结构的优势, 基于拓扑优化和数值模拟技术, 在满足头盔一定机械性能的同时达到头盔内胆的轻量化。将轻质材料通过3D打印技术的加工工艺运用至冬奥会头盔的研制中, 从材料的本质上实现头盔轻量化。

羟基磷灰石(Hydroxyapatite, HAP)是广泛应用于临床骨缺损修复的支架材料, 但传统方法不易使其成型形状复杂的个人定制化人工骨植入物, 因此, 有必要将3D打印技术应用于HAP陶瓷成型。以HAP粉末和光敏树脂为原料, 通过粘度测试, 制备HAP质量比为30%的混合物, 用于光固化面曝光3D打印技术成型陶瓷坯体。根据热重(Thermogravimetric, TG)和差热(Differential Scanning Calorimetry, DSC)分析结果, 发现光敏树脂分解的主要温度区间为300 ℃至500 ℃, 由此确定坯体的烧结工艺参数, 包括烧结的温度范围和升温速度, 烧制得到的成型件, 体积收缩约为65.2%, 通过X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)分析其物相组成。实验结果证明, 利用光固化面曝光3D打印技术能够成型陶瓷坯体, 通过适当的高温处理, 可去除原料中的光敏树脂, 得到陶瓷制件。

蒸汽湿度的测量对汽轮机安全、经济运行具有重要意义。为了能够实现直接对排汽湿度准确、快速在线监测, 以948 nm-DFB可调谐激光器为传感部件, 以单片机C8051F410为核心, 基于TDLAS-WMS技术开展了汽轮机末级湿度检测系统设计。其中讨论了TDLAS技术湿度检测原理, 推导了湿度与可调谐激光的理论公式, 并结合有关谐波信号检测、PID温度控制、锁相放大以及所需软件的设计, 完成了汽轮机湿度测量系统的开发。通过比测实验结果表明, 该湿度检测系统具有较好的实用性及可行性。其湿度测量误差在±1.2%以内, 能够满足对汽轮机湿度高动态、高精度测量的需要。

为提高Tm:YAG激光器输出效率, 设计了冷却和辅热相结合的LD侧面泵浦耦合结构, 考虑泵浦光分布建立了晶体棒温度场三维理论模型进行模拟计算, 分析了辅热情况下晶体棒的温度特性及温度梯度产生的热透镜效应, 计算了泵浦功率和LD激光光束参数对晶体温度场的影响。模拟结果表明, 高功率泵浦条件下晶体棒产生很强的热效应, 泵浦光分布参数影响晶体棒温度分布并因此产生热透镜像差; 端部辅热可避免晶体光学面结露, 实现激光器低温高效运转; 高低温过度区很小, 对激光器结构封装无明显影响; 优化泵浦冷却结构可一定程度改善热效应对激光器运转的影响。

利用奇偶模理论对E面分支线电桥耦合器进行了理论分析, 设计了一款中心频率为360 GHz的E面四分支线电桥3 dB耦合器, 该耦合器回波损耗与隔离度均小于-30 dB。利用波导弯头对两级耦合器级联, 设计了一款中心频率为360 GHz太赫兹四路功分器, 实现了四个端口均等的功率输出, 输出幅度不平坦度小于0.2 dB, 回波损耗小于-25 dB。该功分器实现了良好的均等功率分配效果, 具有一定的扩展性, 可以满足太赫兹通信与成像领域应用的要求。

激光增材制造所得沉积态和热处理态的钛合金强度和塑性可以达到锻件水平, 但韧性和疲劳性能明显不如同材质的锻件性能, 如何利用激光增材制造技术获得高性能钛合金是国内外研究的热点之一, 也是一个难题。主要从航空航天和生物医学领域对高性能钛合金激光增材制造技术的迫切需求和应用, 出发重点介绍获取高性能钛合金激光增材制造技术的工艺和方法的尝试及其研究进展, 旨在为高性能钛合金激光增材制造技术的研究探索途径。

润滑技术的改进不仅能取得巨大的经济效益, 还有利于环境保护和资源合理利用。自润滑涂层在润滑油脂失效或无润滑介质条件下能发挥良好的润滑效果, 近年来受到广泛关注。激光熔覆技术作为自润滑涂层制备方法之一, 具有独特的优势, 在概述自润滑涂层的润滑机理及研究热点的基础上, 综述了激光熔覆制备自润滑涂层的研究进展, 包括熔覆材料选择、润滑相引入方式、存在的问题与应对措施, 同时指出了激光熔覆制备自润滑涂层的未来研究方向。

与传统传感器相比, 全光纤马赫泽德尔干涉仪(MZI)传感器, 具有结构简单、分辨率高、稳定性好等优点, 在石油化工、健康监测、生物化学等领域有广泛应用。介绍了MZI全光纤传感器的传感机理,对比了其他的加工方法, 如电弧放电、加热拉伸、CO2激光诱导微变形等的优缺点, 详细介绍了飞秒激光加工得到的MZI传感器的结构形式、折射率和温度等传感性能。重点阐述了飞秒激光加工MZI的研究现状和优点, 并对运用飞秒激光方法加工的MZI进行了总结和展望。