TC11钛合金表面微凹坑织构皮秒激光加工工艺

目的研究皮秒激光加工工艺参数对微凹坑形貌的影响规律。方法采用FSLAB-50-05激光器搭建的激光器平台对TC11钛合金工艺试样进行表面微加工,通过WYKO—NT1100型表面三维形貌测试仪获得表面微凹坑织构形貌,分别记录微加工后的二维与三维形貌图,应用单因素法分析激光重复频率、激光持续时间和激光功率对微凹坑形貌的影响规律。结果在激光功率为10 W、激光持续时间为0.12 ms的前提下,当激光重复频率由50 k Hz增加到250 k Hz时,微凹坑的直径和深度均呈现出先增大后减小的趋势;在激光功率为10 W、激光重复频率为300 k Hz的前提下,当激光持续时间由0.02 ms增加到0.10 ms时,微凹坑直径和深度均随着激光持续时间的增加而变大;在激光重复频率为300 k Hz、激光持续时间为0.12 ms的前提下,当激光功率由4 W提升至12 W时,微凹坑的深度随着激光功率的增大而增大,而宽度先增大后减小。结论皮秒激光微凹坑织构较佳的工艺参数范围为:激光重复频率150~200 k Hz,激光持续时间0.04~0.06 ms,激光功率8~10 W。     

SiC的激光表面微造型工艺研究

采用灯泵浦YAG-T50系列激光打标机对SiC进行了端面螺旋槽激光微造型加工实验。采用PS50型非接触式三维表面形貌仪测量了槽深和槽内表面粗糙度。通过实验,研究了有效矢量步长、有效矢量步间延时、Q频率、激光电流等工艺参数对微造型加工质量的影响。实验结果表明,当有效矢量步间延时增大或激光电流增大时,螺旋槽深度随之增大;当有效矢量步长增大或Q频率增大时,螺旋槽深度不断减小;而表面粗糙度值则随着有效矢量步间延时、Q频率和激光电流的增大而减小,随着有效矢量步长的增大而增大。从而得出碳化硅的最佳微造型工艺参数为:有效矢量步长0.001mm、有效矢量步间延时60μs、Q频率20kHz、激光电流17A。     

纳秒脉冲激光对表面织构参数影响研究

表面微织构具有良好的减摩作用,刀具表面微织构的应用受到国内外学者的广泛关注。针对激光技术在表面微织构制备中的应用,利用红外脉冲纳秒激光雕刻机在YT15刀片表面制备出单脉冲织构、连续线性凹槽织构,分析单脉冲功率及相邻两脉冲光斑重叠面积百分比对织构参数的影响。结果表明:随着激光功率的增加,单脉冲织构的直径、深度、重铸层高度、重铸层宽度均增加;随着相邻两脉冲光斑重叠面积百分比增加,连续线性凹槽织构的深度、宽度、重铸层高度均增加,而重铸层宽度减小;与同功率单脉冲织构相比,连续脉冲的织构深度、重铸层高度、重铸层宽度均大于单脉冲织构,连续脉冲的织构宽度小于单脉冲织构直径。该研究为特定尺寸表面微织构制备提供参考。     

基于离子束辅助激光的硬质合金表面微织构制备方法研究

目的 解决纳秒激光所制备的硬质合金表面微织构尺寸不可控且质量较差的问题.方法 提出了离子束刻蚀与纳秒激光复合加工技术.首次采用离子束辅助激光加工在WC/Co硬质合金表面制备凹坑型微织构,研究了激光扫描速度、重复频率、脉冲宽度和刻蚀时间4种不同加工参数对微凹坑表面形貌及结构尺寸的影响,并初步预测和建立了复合加工过程中微凹坑轮廓演变模型.结果 凹坑型微织构边缘熔融物堆积量随激光重复频率的增加而增加,与扫描速度和脉冲宽度成反比,其中激光重复频率的影响最大.制备的微凹坑直径和深度可以通过改变激光重复频率和刻蚀时间来调节,使用纳秒激光以20、25、30、35 kHz重复频率加工的微凹坑经离子束刻蚀150 min后,边缘的不规则凸起高度分别由1.112、1.675、2.951、3.235μm降低至0.222、0.689、0.976、1.364μm,且刻蚀速率与激光重复频率成正比.离子束刻蚀150 min后,抛光硬质合金表面粗糙度由0.022μm增加至0.079μm,而激光织构化硬质合金表面粗糙度随刻蚀时间的增加均有所降低.结论 建立了基于离子束辅助激光的表面微织构轮廓演变模型,实现了硬质合金表面微织构的高质量可控制备.     

激光加工工艺参数对Invar 36合金表面微织构质量的影响

目的 提高微织构的加工效率和加工质量,为改善Invar 36合金的表面性能及微织构加工工艺参数提供理论依据。方法 为了保证该研究的合理性和可行性,采用光纤激光加工技术并结合正交试验法研究了激光功率,激光频率,激光扫描速度和扫描次数4种不同加工参数对微织构凹槽表面形貌结构尺寸及加工质量的影响,并通过摩擦学试验方法测试了其对应的摩擦学性能。最后,通过三维形貌测试仪和扫描电子显微镜对微织构加工结果进行测量表征。结果 微织构凹槽的加工质量与激光扫描次数和扫描速度的关系更大,随着激光扫描次数的增加,微织构的深度明显增加,但是其宽度逐渐减少。当扫描次数在5~15次时,随着扫描次数的增加,微织构表面及边缘熔融物不规则凸起逐渐平整。激光扫描速度与微织构凹槽的宽度成正比,但是与微织构凹槽的深度及边缘不规则凸起的高度成反比关系。此外,当激光扫描次数为15次,激光扫描速率为400~500 μm/s时,加工的微织构表面粗糙度更低,且根据摩擦试验结果,发现该条件下加工的微织构摩擦副的减摩耐磨效果更佳。结论 激光扫描次数和激光扫描速度是影响凹槽型微织构加工质量和表面性能的关键因素,试验结果表明在适当的激光加工工艺参数下(P=0.04 W,f=20 kHz,v=500 μm/s,n=15)微织构凹槽具有较高的加工质量,从而有效改善Invar 36合金的摩擦学性能,对未来进一步提高Invar 36合金的表面性能及加工质量具有一定的指导意义。     

硬质合金表面纳秒激光微织构工艺参数优化

为考察纳秒激光不同工艺参数对微织构硬质合金表面质量的影响,以正交试验法设计微织构硬质合金试验。采用残余应力仪、显微硬度仪对织构后的材料表面进行表征。实验表明,激光频率对残余压应力和显微硬度的影响最大;综合考虑各因素对材料的影响,主次影响顺序为频率、时间、光斑直径、激光能量;采用激光能量200 mJ,光斑直径0.5 mm,频率2 Hz,时间1 s的工艺参数可以获得更好的表面微织构效果。     

脂润滑条件下PTFE/GCr15激光织构表面滑动摩擦性能研究

目的 研究PTFE薄膜与激光织构化GCr15轴承钢配副在脂润滑条件下的摩擦学性能,探究微织构面积占有率和工况参数对摩擦学行为的影响规律。方法 采用二极管泵浦声光调Q Nd∶YAG激光器对下试样进行表面织构加工,在Rtec MFT-5000多功能摩擦磨损试验机上进行往复摩擦学试验,其中上试样为粘结PTFE薄膜的圆柱销,下试样为进行激光织构化的GCr15轴承钢滑块。结果 脂润滑介质下,PTFE与微织构表面耦合摩擦系数最低。在前期磨合阶段,不同微织构面积占有率的表面摩擦系数均有小幅度上升;试验中期,不同微织构面积占有率的表面摩擦系数区分度逐渐变大。当微织构面积占有率由10%上升为40%时,摩擦系数先减小后增大,且微织构面积占有率为20%时,表面摩擦系数最小,仅为0.032。脂润滑条件下,三种不同微织构面积占有率的试样随着载荷由20 N增加至100 N时,摩擦系数均出现下降趋势,且趋势逐渐趋缓。在低频率阶段的摩擦系数较大,高频率阶段摩擦系数较小。结论 脂润滑条件下,PTFE与微织构耦合是一种有效的复合减摩手段。随着织构面积占有率的提升,表面摩擦系数先减小后增大,随着载荷的增大,表面摩擦系数迅速下降;随着往复运动频率的增大,表面摩擦系数先上升再缓慢下降。当面积占有率为20%时,能获得较好的摩擦润滑性能。     

ZCuSn10Zn2铜合金激光表面微造型工艺试验

为加工出符合摩擦学性能要求的ZCu Sn10Zn2铜合金表面微造型形貌,采用激光微造型技术对ZCu Sn10Zn2铜合金表面进行网格图案化处理,利用共聚焦显微镜和X射线应力测定仪对加工后的试样进行表面形貌表征及残余应力测试。考察不同工艺参数对材料耐磨损性能的影响。结果表明:激光微造型后材料的表面粗糙度随激光功率的增大先减小后增大,微沟槽的深度随激光功率的增大先增大后减小,微沟槽的宽度与工作电流成正相关性,但随电流的增大趋于饱和。表面残余应力随工作电流增大趋势明显,微造型后,表层存在较大的残余拉应力。试验结果对深入探索ZCu Sn10Zn2铜合金的激光微造型工艺提供了一定的数据基础。     

激光表面织构微坑形貌及面积占有率对氮化气缸套摩擦学性能的影响

针对氮化气缸套由于自身存在表面应力高、易变形等使其难以满足高强化内燃机气缸套要求的问题,以氮化气缸套-PVD活塞环为研究对象,采用Nd-YAG脉冲激光器在氮化气缸套表面进行织构化处理,研究脉冲激光参数对气缸套表面微织构微坑形貌及面积占有率对摩擦副摩擦磨损性能的影响,并分析其影响机制。发现织构微坑直径随激光能量密度、脉冲次数、离焦量增加而增大,而微坑深度随能量密度、脉冲个数、离焦量的增加呈先增大后减小的趋势。不同面积占有率织构对气缸套-活塞环摩擦副均具有减摩耐磨作用,与无织构缸套摩擦副相比,微织构气缸套的摩擦因数降低10.07%～1.58%;磨损量降低26.71%～46.19%;微织构气缸套对应的活塞环试样磨损量降低10.12%～50.19%;微织构气缸套的拉缸时间提高了2.1～2.8倍。最低摩擦因数和磨损量及最佳抗拉缸性能均在面积占有率为10%的织构摩擦副获得。微织构改善气缸套摩擦副摩擦磨损性能的机制为贮存润滑油,减少摩擦副接触面积以及捕捉磨屑,减小磨粒磨损。获得了高强化条件下氮化气缸套织构化对其摩擦学性能的影响规律,可为开发高强度内燃机提供试验支持。     

铝合金激光-电弧双面焊接头特征分析

采用激光-电弧双面焊工艺进行铝合金焊接试验，发现该工艺不仅可以获得稳定可靠的焊接过程与美观的焊缝成形，还可以有效地增加接头熔深和降低焊接成本。主要研究了焊接参数对双面焊接头特征的影响。结果表明，激光功率增加时，双面焊两侧的熔宽都以同样的趋势增大；焊接电流增大时，电弧侧熔宽的增加趋势明显大于激光侧；增加激光功率或提高焊接电流都会引起焊缝最小熔宽的增大，且焊缝最小熔宽的深度也发生一定的变化。随焊接速度的提高，激光侧的深宽比增加，而电弧侧的深宽比减小。     

工艺参数对Nd:YAG激光熔覆层几何尺寸和性能的影响

研究了电压、脉宽和激光重复频率对Nd：YAG激光熔覆层几何尺寸和性能的影响，解释了造成这些影响的原因。结果表明，在其它工艺参数一定的情况下，电压越高，或脉宽越大，或频率越大，将使熔覆层高越小，熔深越大，熔覆层宽越大；随着脉宽、激光重复频率或电压的增加，熔覆层气孔率越小；当脉宽、激光重复频率或电压在一定范围内增加时，熔覆层均不会开裂。     

Laser glazing of plasma-sprayed zirconia coatings

A CO₂ laser with cylindrical focal lens has been used to glaze the surface layer of plasma-sprayed ZrO₂-20wt% Y₂O₃/MCrAlY coatings. Both a continuous-wave laser and a pulsed laser were used in this study. Different parameter settings for power, travel speed, and pulse frequency were used, and their effects on the melting width, melting depth, coupling efficiency, microstructure, surface roughness, and process defects have been evaluated. Results show that the melting width of the glazed track was slightly smaller than the diameter of the raw beam. The melting depth increased with increasing energy density for both a continuous-wave laser and a pulsed laser. The coupling efficiency as about 40 to 65% for a continuous-wave laser, which increased with increasing laser travel speed, but decreased with an increase in energy density. The power density has no significant effect on coupling efficiency. Defects, such as bubbles or depressions, occur easily with a continuous wave laser. A high-quality glazed layer is successfully produced using a pulsed laser. The surface roughness of the plasma-sprayed ceramic coatings was significantly improved by laser glazing. Surface roughness decreased slightly as the pulse frequency increased for the glazed surface. Based on this study, proper processing parameters have been suggested.     

248 nm准分子激光旋转加工锥形孔试验

采用准分子激光对PMMA板进行加工,通过旋转台完成打孔,并探究多项参数对于微孔深度与锥度的影响。研究发现:在一定范围内,当脉动频率和单脉冲能量增加时,微孔的深度线性增加、锥度线性减小;旋转速度对于微孔的深度和锥度无太大影响;采用较大的三角形掩模加工微孔的锥度最佳。通过选择合适的掩模与参数,加工出的微孔比冲孔法效果更佳。     

基于Python的Abaqus二次开发在高温合金GH3039激光冲击强化中的应用

目的 提高高温合金GH3039激光冲击强化仿真建模的效率。方法 利用Python脚本语言对Abaqus进行二次开发,利用插件对高温合金GH3039激光冲击强化过程进行仿真分析。采用侧倾固定Ψ法,通过实验测量激光冲击强化后的残余应力,并对仿真结果进行验证,分析不同激光工艺参数作用下高温合金GH3039表面和深度方向残余应力的分布规律。结果 仿真插件界面简洁,操作性强,结果准确。在其他参数不变的情况下,残余压应力受到光斑尺寸的影响较大。相较于光斑直径为4、2 mm,在光斑直径为6 mm时,其中心位置残余压应力分别提高了4.3%、53%。随着光斑尺寸的增大,表面残余压应力增大,且变化梯度减小,深度方向的残余压应力增大。随着激光能量的增加,表面残余压应力增大,且变化梯度增大,残余压应力峰值位于中心区域附近,在激光能量为6、7、8 J时,残余压应力层的平均厚度分别为0.55、0.67、0.82 mm,深度方向残余压应力层增厚。随着冲击次数的增加,冲击区域表面残余压应力平均值高于单次冲击,且波动梯度增大,冲击1、2、3次后残余压应力层的平均厚度分别为0.55、0.71、0.85 mm,深度方向残余压应力层深度增大。结论 利用Python脚本语言对ABAQUS进行二次开发,提高了仿真建模的效率,可为快速预测不同激光工艺参数下高温合金GH3039残余应力的分布规律提供参考。     

铍的Nd:YAG激光焊接阈值功率影响因素

利用Nd:YAG激光焊接了铍环,研究了不同激光入射角度和铍环直径变化对阈值功率变化的影响,得到了铍在激光焊接过程中阈值功率密度变化规律.结果表明,铍环直径大小对阈值功率密度有显著影响,随着铍环直径的增加,铍环的曲率减小,由背反射引起的调Q脉冲增强,导致出现深熔焊的阈值功率密度降低.对同一直径的铍环,激光入射角度从0°调整到3°后,由于消除了背反射激光在谐振腔内形成调Q脉冲,激光焊接时出现深熔焊的临界功率密度增加.深熔焊形成的焊缝深宽比值较大,为1.0～1.5,而热传导焊形成的焊缝深宽比值较小,只有0.2左右.     

飞秒激光加工参数对RB-SiC表面形貌的影响

目的 揭示飞秒激光加工参数对反应烧结碳化硅(Reaction-Bounded Silicon Carbide,RB-SiC)表面形貌的影响规律。方法 通过改变激光能量密度和有效脉冲数,研究RB-SiC表面烧蚀槽的形貌变化规律,确定飞秒激光加工RB-SiC的去除机理。采用扫描电镜、共聚焦显微镜、X射线能谱仪和拉曼光谱仪分析RB-SiC烧蚀前后的表面形貌演变行为。结果 激光能量密度在0.62~10.48 J/cm²时,Si富集区域形成凹陷结构,SiC颗粒区域形成周期性结构(Laser-Induced Periodic Surface Structures,LIPSS),周期约为970 nm。随着激光能量密度的增加,凹陷结构扩大加深,表面球形纳米颗粒增多,烧蚀槽宽度呈对数增长。有效脉冲数在69~ 1 379,Si富集区域的去除量高于SiC颗粒区域的去除量。随着有效脉冲数增加,烧蚀槽深度显著加深,凹陷结构扩展成深坑结构,飞溅至烧蚀槽外侧的纳米颗粒聚集成团簇物,由Si、SiC和非晶态SiO2构成的沉积物在烧蚀槽边缘形成堆积层。结论 降低激光能量密度能够减少RB-SiC表面凹陷和纳米颗粒,有助于提升烧蚀形貌的一致性。增加有效脉冲数会促进烧蚀槽底部深坑结构的产生,进而扩大Si与SiC去除量之间的差异。     

声光调Q Nd:YAG脉冲激光修锐树脂结合剂CBN砂轮

采用声光调Q Nd:YAG脉冲激光径向辐照，对树脂结合剂CBN砂轮进行修锐试验研究。研究了单脉冲激光辐照下，平均功率，脉冲频率和离焦量等参数对烧蚀凹坑深度的影响，由此可方便获得合适的激光修锐参数；分析了声光调Q YAG脉冲激光修锐树脂CBN砂轮的选择性去除机理，观察并比较了声光调Q脉冲激光，连续激光和机械法修锐后砂轮表面的地形地貌，试验表明声光调Q Nd:YAG脉冲激光径向辐照修锐树脂CBN砂轮，可获得更为良好的修锐效果。     

硬脆材料皮秒激光微加工试验研究

硬脆材料微加工中常存在材料易崩裂、刀具磨损严重、加工效率低等不足,引入超短脉冲激光微加工技术,通过光-热-力效应引发材料去除,可有效克服上述加工难题。以羟基磷灰石生物陶瓷、氧化铝工程陶瓷、单晶硅三种典型硬脆材料为加工对象,探索基于皮秒激光的微加工工艺方法,尝试利用激光干切、液体辅助、化学辅助等不同手段,完成微槽、微孔等结构的高质量加工,并分析微加工表面特征形貌,评估工艺方法可行性。     

Excimer laser surface treatment of plasma sprayed alumina-13% titania coatings

Surface modification of engineering materials allows the production of far superior products in terms of reduced wear, increased corrosion resistance, better biocompatibility, and improved optical and altered electrical/electronic properties. Excimer laser annealing provides a rapid and efficient means for surface alloying and modification of ceramic materials. In this study, alumina-13% titania (AT-13) coatings were sprayed with a water-stabilized plasma spray gun. The coated surface was treated by excimer laser having a wavelength of 248 nm and pulse duration of 24 ns. The surface structure of the treated coating was examined by field emission scanning electron microscope and X-ray diffraction (XRD). A detailed parametric study was performed to investigate the effects of different parameters such as laser energy density (fluence), pulse repetition rate (PRR), and number of pulses on the mechanical properties, surface morphology, and microstructure of the coatings. The study reveals that the laser fluence plays a major role in modifying the surface morphology of the coating, followed by the pulse repetition rate.