皮秒激光熔覆硼掺杂硅纳米浆料的实验研究

采用硼掺杂的硅纳米颗粒和有机载体混合配制的硅浆料作为原料,以标准太阳能电池工艺中的预处理硅片作为基片,在硅片背面丝网印刷硅浆料,烘干后形成硅纳米薄膜,经皮秒激光熔覆形成掺杂的硅熔覆层,同时硼元素扩散进入硅基片。采用激光形貌仪、扫描电子显微镜、二次离子质谱等手段分析了熔覆层的组织结构和硼元素的掺杂情况。结果表明,皮秒激光形成的硅熔覆层组织均匀致密,与基体之间结合紧密,无裂纹、孔洞等缺陷。硅熔覆层中的硼掺杂浓度最高达到3×1019 atom/cm3,在硅基体内扩散深度为0.5~1μm。在中电电气(南京)光伏有限公司太阳能电池生产线上进行了电池制备实验,平均光电转换效率达到20.3%。     

纯铜表面脉冲激光熔覆Ni60涂层的结构与性能研究

为了克服纯铜表面激光熔覆时热量难以积聚的困难,得到冶金结合良好的Ni60熔覆层,采用预热辅助脉冲激光熔覆的方法,在纯铜表面进行了Ni60合金粉末的熔覆实验,并建立了纯铜表面预热辅助脉冲激光熔覆过程的3维瞬态热弹塑性模型,对温度场及残余应力进行了仿真。预热温度达到573K时,Ni60熔覆层中裂痕完全消除;预热温度为673K时,激光熔覆的加工效率提升了2.2倍;预热辅助脉冲激光熔覆得到的Ni60熔覆层平均硬度达到800HV_0.2;常温下,Ni60熔覆层与ASTM52100钢相对耐磨性为4.45,摩擦系数约是铜和ASTM 52100钢的57%。结果表明,随着预热温度的升高,Ni60熔覆层中裂纹减少,激光熔覆效率提高;Ni60熔覆层有效地提高了表面硬度,减小了摩擦系数。通过预热辅助脉冲激光熔覆技术,在纯铜表面制备得到无裂纹、无气孔的Ni60熔覆层,可有效地提高铜基材的硬度与耐磨性。     

纳秒激光熔覆硅纳米薄膜的仿真分析及实验研究

以重掺杂硼的纳米硅浆料为硼源,采用纳秒激光熔覆工艺,在钝化发射极及背接触(PERC)电池背面形成了重掺杂硼的硅熔覆层。通过建立三维瞬态温度场的有限元仿真模型,并利用单因素仿真实验,得到了激光工艺参数对温度场的影响规律,初步确定了各激光工艺参数的合理范围。利用极差分析获得了激光工艺参数与激光熔覆温度场分布的相互作用规律。将激光熔覆工艺兼容到PERC电池的制备实验中,结果表明:仿真模型与实验结果较为吻合,电池的平均光电转化效率提升了0.27%。     

激光熔覆K418高温合金温度场的数值模拟

采用ANSYS有限元软件对K418高温合金激光熔覆过程中的温度场进行了计算,得到了激光熔覆层中心温度的变化规律.结果表明,熔覆层中心温度表现出明显的快速熔凝特征,熔覆层中心温度与激光功率成正比,与扫描速度成反比.计算结果为优化K418高温合金激光熔覆工艺参数提供了理论依据.     

45钢基体激光熔覆316L粉末搭接过程中Cr元素分布机制研究

为了探究激光熔覆搭接过程中元素分布的演化机制，建立了基于体积平均法的Eulerian-Eulerian多相流三维熔化凝固模型，模拟了45钢基体激光熔覆316L粉末的过程，获得了搭接过程中第一、二道熔覆层之间温度场、流场及溶质场的相互作用机制。对比分析了搭接过程中第一、二道熔覆层模拟与试验的熔池形貌结果，熔深误差分别为1.96%和5.39%，熔高误差分别为0.97%和2.62%，熔宽误差分别为7.27%和6.70%，验证了模型的可靠性。Cr元素分布结果表明：在第一道熔覆层的影响下，第二道熔覆层Cr元素的平均含量略高于第一道熔覆层Cr元素的平均含量。搭接区域Cr元素的平均含量略高于两道熔覆层Cr元素的平均含量。这是由于第一道熔覆层影响第二道熔覆层的熔池尺寸、横截面左右温度梯度分布及基体热量吸收，因此两道熔覆层的元素分布有着显著差异。     

镍硅硼合金粉末激光熔覆中熔池光谱检测分析

为了研究激光熔覆过程中激光熔池的光谱辐射特性,采用光栅光谱检测技术检测镍硅硼合金粉末熔覆过程中熔池光谱,得到不同功率、速度及时间下的光谱分布。结果表明:激光功率900 W时波长550nm处熔池光谱相对强度最高为500,功率增加到1000 W时,光谱相对强度增加为600;激光功率保持不变时,光谱辐射相对强度随扫描速度增加而减小,随熔覆过程时间增加而增加,但在15s后,基本达到稳定状态。激光熔覆过程中熔池光谱波动与熔覆层质量存在一定的关系,试验中发现,功率为900 W,扫描速度2mm/s时,熔覆层质量较好,试样基体变形较小,熔池光谱相对强度波动也较小。     

激光熔覆不锈钢-碳钢层合板的材料性能

采用激光熔覆工艺将不锈钢粉末熔覆在碳钢板上,制备不锈钢-碳钢层合板。通过金属材料性能检测试验,对不锈钢-碳钢层合板的金相组织、元素扩散、显微硬度及拉伸断口形貌等性能进行分析。结果表明,激光熔覆制备层合板获得了致密均匀的覆层;结合面两侧Fe、Cr、Ni等元素呈梯度扩散,扩散区域约为12μm,表明激光熔覆复合材料为扩散型冶金结合;覆层到基体硬度逐渐减小,这使覆层与基体之间应力平稳过渡,提升了其整体力学性能;其屈服强度为405 MPa,超过轧制层合板的326 MPa。基体和扩散区断口形貌为韧性断裂,而覆层表现为脆性断裂,进一步表明激光熔覆层合板结合面结合性能良好。     

多道搭接激光熔覆层开裂的机理和试验分析

利用数值分析和试验相结合的办法,对多道搭接激光熔覆层的开裂机理和规律进行了研究。数值分析结果表明,激光熔覆后,熔覆层内部呈明显的拉应力状态,且主要集中在熔覆层底部与基体的交界处,因此单道熔覆时熔覆层的开裂倾向主要是垂直于扫描方向。在两道搭接熔覆时,前一次熔覆输入试样的激光能量在试样内部传递和扩散已有一定的时间,试样的整体温度升高后,第二次熔覆时激光能量输入产生的热量在试样内部形成的温度梯度就会有所减小,从而降低了工件内部的应力水平。两道熔覆完成后,由于熔覆层在扫描所受的拉应力降低的幅度最大,而垂直于扫描方向所受的拉应力变化不大,此时若熔覆层开裂,则开裂的方向将不再是垂直于扫描方向,而是会与扫描方向成一定的夹角。实际熔覆中,对单道、多道熔覆时熔覆层的开裂现象进行了观察,试验结果与分析结果较好地吻合。     

温度梯度对激光熔覆层裂纹产生的影响

为了减少激光熔覆技术中因温度梯度大而产生的熔覆层裂纹，在激光熔覆过程中采用预热基体的方法来减小温度梯度。采用ANSYS软件建立45#钢基材上激光熔覆镍基金属粉末的多道搭接温度场有限元模型，通过热电偶测温验证模型的可靠性，利用建立的有限元模型分析熔覆层在熔覆过程中熔覆层边缘的温度梯度变化规律以及基材预热温度对熔覆层温度梯度的影响。结果表明，最大温度梯度位于熔覆层与基体结合界面的边缘，使得此处成为金属熔池凝固的极端条件，导致此处极易产生裂纹；在基材预热为200℃时，可以显著降低熔覆层凝固过程中的温度梯度，温度梯度的降低越明显，越能有效地抑制裂纹产生。通过模拟与实验的结合为实际激光熔覆制造提供了切实可行的参考依据。     

激光熔覆Ni/WC涂层温度场及形貌模拟

根据同轴送粉激光熔覆的特点,利用有限元软件ANSYS模拟温度场的动态过程,采用生死单元法求得熔覆层形貌的三维模型,模拟中加入了熔覆粉末的温升、激光的衰减、相变潜热以及温度对材料热物理性能的影响等因素的影响作用,并且对温度场的结果进行了分析和试验验证。结果表明,熔池前方温度梯度比后方大,熔池最高温度在短时间之后会基本保持稳定。在高锰钢表面采用4000 W多模光纤激光器熔覆镍包WC复合粉末,涂层组织主要为细化树枝晶,通过对熔覆层横截面形貌、组织形貌、温度场分布的观察分析,验证了模拟结果的准确性,可作为制备涂层的工艺的理论参考。     

稳恒磁场设计及电流强度对激光熔覆Fe55涂层微结构的影响

利用自行设计的稳恒磁场装置以辅助激光熔覆工艺,通过调节电流强度获得相应的稳恒磁场作用于激光熔池,在45钢基材表面制备了Fe55合金涂层。借助扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）和X射线衍射（XRD）等表征手段分析了稳恒磁场作用下Fe55合金涂层的微观形貌、化学组成和物相结构。结果表明,Fe55合金涂层主要由-（Fe,Cr）和（Fe,Ni）固溶体、（Cr,Fe）23C6碳化物及少量Cr9.1Si0.9组成。与未施加磁场相比,稳恒磁场作用下的激光熔覆Fe55涂层,枝晶间Cr元素含量更高,枝晶内Fe元素含量也有所增加。稳恒磁场在一定程度上促进了激光熔池中的传质过程,有助于Fe,Cr元素扩散和（Fe,Cr）固溶体的形成。当电流强度为4.0 A时,外加磁场大大降低了熔池内固-液界面前沿的温度梯度,增加了液态金属熔池的形核率,涂层中大量柱状枝晶和树枝晶转变为方向各异的等轴晶,涂层组织得到了明显优化。     

激光熔覆Co基合金温度场的数值模拟

为了分析Co合金熔覆的温度场,采用有限元法建立了低碳钢表面上激光熔覆预置钴基合金粉末过程的3维模型,考虑温度变化对热物理参量的影响以及表面对流换热和辐射散热等影响因素,使用SYSWELD软件对激光熔覆过程中的温度场进行了分析,并进行了验证。结果表明,激光熔覆过程中的温度场变化是由非稳态到稳态的过程,光斑附近等温面较为密集,远离光斑处等温面较稀疏;在其它工艺参量不变的情况下,扫描速率为5mm/s时熔覆过程的稀释率为8.26%,可以获得良好的冶金结合;利用SYSWELD软件的校核功能,获得了扫描速率为3mm/s和4mm/s时熔覆过程中较为合适的功率分别为1.6kW和1.87kW。研究结果对工艺参量的优化和控制熔覆层稀释率提供了借鉴和指导作用。     

激光熔覆铁基TiC复合涂层成形质量的控制方法

为了揭示激光熔覆工艺参数对铁基TiC复合熔覆层成形质量的作用规律、优化激光熔覆工艺参数,使用YAG固体激光器在60Si2Mn基体上激光熔覆铁基TiC复合涂层,基于响应面法建立输出电流、脉冲宽度、扫描速率与熔覆层宽度、高度、熔池深度、宽高比、稀释率以及硬度之间的数学模型,并对模型进行方差分析,获得了工艺参数与成形质量之间...     

激光直接制造金属零件过程的闭环控制研究

对激光直接制造金属零件过程中熔池温度和熔覆层厚度的变化进行了研究,指出对确定的材料,当激光功率增大到一定值时,熔池内的金属溶液大多已达到了热饱和,温度累积效应并不显著,熔池温度基本保持平稳,而在制造过程中若零件由于工艺不稳定而产生凹凸点,在多次层叠制造后,凹处越凹、凸处越凸,严重影响零件的制造精度。所以通过传感器来直接监测金属零件的熔覆高度,进而通过控制送粉量来保证制造过程中熔覆高度的稳定性比起温度控制来更具有实际意义。提出了熔覆高度的检测方案,并对送粉量的闭环控制系统进行了研究,对送粉量的时间延迟提出了相应的对策。结果表明对熔覆层高度的检测和对送粉量的调节能够提高激光直接制造过程的稳定性和制造精度。     

激光多脉冲探测的计算机模拟与实验研究

对激光多脉冲探测理论进行了分析,在考虑了影响探测的各种噪声及其分布特性的基础上,得到了激光多脉冲探测信噪比与脉冲积累次数的定量关系。利用计算机仿真模拟多脉冲探测,其结果与理论分析相符;在实验室条件下对多脉冲探测进行了研究,实验结果表明,在脉冲叠加数较少时,实验与理论符合得很好,当脉冲叠加数较多时,实验数据明显小于理想的数值,分析了出现这种偏差的原因及解决方案。激光多脉冲积累探测可以有效地提高激光探测的信噪比,应用积累探测的方式能有效地将激光探测的弱信号从强噪声背景中检测出来。     

Nonmelt laser annealing of 5-KeV and 1-KeV boron-implanted silicon

Nonmelt laser annealing has been investigated for the formation of ultrashallow, heavily doped regions. With the correct lasing and implant conditions, the process can be used to form ultrashallow, heavily doped junctions in boron-implanted silicon. Laser energy in the nonmelt regime has been supplied to the silicon surface at a ramp rate greater than 10 ¹⁰°C/s. This rapid ramp rate will help decrease dopant diffusion while supplying enough energy to the surface to produce dopant activation. High-dose, nonamorphizing boron implants at a dose of 10¹⁵ ions/cm² and energies of 5 KeV and 1 KeV are annealed with a 308-nm excimer laser. Subsequent rapid thermal anneals are used to study the effect of laser annealing as a pretreatment. SIMS, sheet resistance and mobility data have been measured for all annealing and implant conditions. For the 5-KeV implants, the 308-nm nonmelt laser preanneal results in increased diffusion. However, for the 1-KeV implant processed with ten laser pulses, the SIMS profile shows that no measurable diffusion has occurred, yet a sheet resistance of 420 Ω/sq was produced     

单道激光熔覆温度场仿真及实验研究

为了研究单道激光熔覆薄板的温度场分布,采用仿真与实验对照的方法,利用ANSYS软件,通过高斯热源模型模拟激光光束能量,再采用非线性边界设定,对单道激光熔覆及冷却过程的温度场进行仿真;使用2kW光纤激光器将铁基(Fe60)粉末熔覆在2mm厚T9A钢板上,并用热成像仪测量多样点温度.结果表明,激光熔覆薄板温度场的仿真符合实...     

基于温度场评估的激光熔覆顺序决策方法研究

为了在激光熔覆再制造过程中得到更优的激光熔覆顺序选择决策方法,采用有限元法对平面基材多道激光熔覆传热学模型的温度场瞬态解进行了理论分析,并利用基于热电偶的测温系统验证了整个数值模拟过程的可靠性。提出了一种评估选择法,即利用数值模拟来分析和评估基体瞬态温度场,根据评估准则选择熔覆过程激光扫描顺序的轨迹优化方法。结果表明,取得单向逐次和评估选择样件的实验硬度数据分别为625.38HV,620.58HV,623.34HV,680.09HV,673.58HV和683.01HV,变形均值为0.9722mm和0.6458mm;评估选择法有最均匀的温度场,熔池周围有最大的温度梯度,其能产生较大的熔覆层硬度及较小的组织尺度,同时测量变形较小。该方法为激光熔覆的顺序选择提供了重要的参考价值。     

基于彩色CCD的激光熔覆熔池温度闭环控制研究

为了保持激光熔覆过程中熔池温度的相对稳定,采用比色测温与比例-积分-微分（PID）控制策略相结合的方法实现了熔池温度的闭环控制,搭建了一套基于双通道彩色CCD的激光熔覆成形熔池温度在线测控系统。将发射率ε纳入到待定系数K中,建立了灰度比值与K的对应关系,推导出了熔池温度的计算公式。基于Socket通信实现了温度在工控机与机器人控制器之间的信号传递,设计了基于激光功率变化的温度控制器算法。结果表明,此系统能实时准确地测量并控制熔池温度,控制精度在3%以内;将该系统运用于薄壁圆筒堆积成形实验中,能够有效消除激光熔覆成形过程中的温度累积效应;成形件底部与顶部外径仅相差0.9mm,成形件各处显微组织差异较小,组织致密均匀。该控制方案具有实时性好、成本较低、便于集成应用等优点。