激光功率和扫描速度对熔覆组织与性能的影响

采用激光熔覆技术在GCr15钢基材上制备FeCrNiSi合金熔覆层,通过超景深显微镜、显微硬度计及摩擦磨损试验机,研究激光工艺参数对熔覆层显微组织、硬度及摩擦磨损性能变化的影响规律.结果 表明:随着激光功率增大,熔覆层一次枝晶呈逐渐变大、变长的趋势,一次枝晶间距先增大后减小,二次枝晶间距逐渐减小;随着扫描速度加快,熔覆层一次枝晶呈先变大后减小的趋势,一次枝晶间距先增大后减小,二次枝晶间距先减小后增大.随着激光功率的降低或扫描速度的增加,熔覆层表面硬度提高,当激光功率为2400W、扫描速度为7 mm/s时,熔覆层最高硬度为781.5 HV,是基材的3.4倍;此时熔覆层磨损机制由磨粒磨损和黏着磨损逐渐演变为疲劳主导的磨损机制.     

选区激光熔化316L不锈钢成形质量与晶粒形貌研究北大核心CSCD

选区激光熔化零件的性能与工艺参数影响的表面质量和内部缺陷是密切相关的,为了深入了解表面质量和内部缺陷与工艺参数之间的关系,以提高成形质量。通过研究不同激光功率和扫描速度制备的选区激光熔化样品的晶粒形貌、致密度和显微硬度。结果表明,随着激光功率的增大,熔池宽度逐渐增大,熔池轨迹更加清晰连续,致密度和硬度呈先增大后减小的趋势;随着扫描速度的增大,熔池宽度减小,熔池轨迹越来越无规则且不连续,致密度和硬度先增大后减小;选区激光熔化316L不锈钢样品均有奥氏体单相构成,不受激光功率和扫描速度的影响。另外,熔池宽度分别与激光功率、扫描速度符合二次多项式数学关系;xoy平面的晶粒尺寸要略小于yoz平面的晶粒尺寸,晶粒大小的差异导致显微硬度的不同,xoy平面上显微硬度都略大于yoz平面上硬度,产生各向异性;孔洞数量少的致密度相对较大,当致密度达到最大98.74%时,显微硬度也达到最大,xoy平面上硬度为227.5 HV,yoz平面上硬度为210.1 HV。     

选择性激光熔融钴铬合金成形工艺研究

针对牙科钴铬合金(remanium star CL)进行选择性激光熔融(SLM)成形实验,测试分析钴铬合金成形件微观组织及表面质量,研究激光功率、扫描速度、扫描间距及其综合作用下的激光能量密度对钴铬合金件表面粗糙度、相对密度及维氏硬度的影响。研究结果表明,相同激光能量密度下,不同的激光功率、扫描速度、扫描间距也会导致不同的表面粗糙度。SLM成形钴铬合金件相对密度随激光功率的增加而增大且变化速率逐渐缓慢;扫描速度在80~100 mm/s时,钴铬合金SLM成形相对密度最大值达94.95%。随着激光扫描间距的增大,钴铬合金件的相对密度下降。试件维氏硬度随激光功率和扫描速度的增大均呈现先增大后减小的变化规律。此外,激光功率从50 W变为100 W时,网状晶粒平均尺寸由0.8μm增大到2μm左右,然而过大的激光功率将导致晶粒尺寸过大使硬度降低。SLM成形钴铬合金件维氏硬度平均硬度为392 HV,在合理范围内略高于标准值。     

激光能量密度对纳米Al2O3/PS复合材料致密度和显微结构的影响

当扫描间距一定时,选区激光烧结(SLS)成型的激光能量密度和激光功率(P)与扫描速度(V)的比值(P/V)成正比。为了研究激光能量密度对烧结试件致密度和显微结构的影响,分别对不同P/V比值及相同P/V比值但不同P值和V值条件下激光烧结试件的致密度进行了研究,并利用扫描电镜(SEM)分析研究了烧结试件的表面形貌和显微结构的变化。研究发现,在P/V值达到1 W/37.7 mm.s-1以前时,烧结试件的体积密度随着P/V值的增加而提高,试件表面越来越光滑,气孔数量及尺寸减小;随着P/V值进一步地提高,由于聚苯乙烯的降解,产生了大量的烟气,体积密度基本上没有提高,反而有可能会出现下降的趋势,气孔未见明显减少;在P/V值等于1 W/32 mm.s-1时,随着P和V值的同时增加,烧结试件的体积密度有下降的趋势,内部气孔增多,气孔尺寸变大。综合考虑激光器使用寿命及加工效率等因素,较佳的成型工艺参数选择为激光烧结功率28 W,扫描速度1120 mm/s,铺粉厚度0.1 mm,扫描间距0.2 mm,预热温度95℃。     

6082铝合金激光-MIG复合焊工艺组织及性能研究

以3 mm厚6082-T6铝合金为母材进行激光-MIG复合焊接,研究激光功率与送丝速度对焊缝成形、微观组织及力学性能的影响,并对不同功率下的焊接接头进行气孔缺陷分析。结果表明,在激光功率为1 900 W、送丝速度为4 m/min时,焊缝成形最好,接头显微硬度从母材到焊缝中心呈现先减小后增大的趋势,热影响区处存在软化现象,接头抗拉强度可达313 MPa,延伸率达6.18%。焊缝中心组织为细小等轴晶粒,熔合区为垂直于熔合线生长的柱状晶。另外,随着激光功率的不断增大,接头气孔数量、尺寸及气孔率均随之增大。     

LPBF成形新型定向凝固镍基高温合金基础工艺研究

研究了激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术成形新型定向凝固镍基高温合金ZGH451的致密化行为、显微组织和凝固晶粒取向。结果表明：未熔合和凝固裂纹是主要冶金缺陷；通过增大激光功率、减小扫描间距和扫描速度，可以有效消除未熔合缺陷；在激光功率150 W、扫描层厚0.02 mm、扫描速度600～800 mm/s、扫描间距0.06～0.08 mm的工艺窗口内，可以获得无裂纹、高致密（致密度为99.9%）样品，其凝固组织主要由基本沿构建方向定向生长的柱状晶构成，具有典型的微细枝晶显微组织，一次枝晶间距小于1μm，二次枝晶不发达。枝晶间存在TiC和TaC颗粒析出，未观察到明显的γ/γ′共晶。样品呈现出一定的定向凝固特性，[001]织构明显，但相邻熔道搭接区域内仍有复杂热流产生的大取向差柱晶。样品力学性能优异，其屈服强度与传统定向凝固工艺制备的第三代单晶高温合金相当。研究结果证实了采用LPBF技术成形定向凝固ZGH451镍基高温合金的可行性。     

激光重熔熔池宏微观凝固过程的实时观察

采用类金属透明模型合金SCN-Eth合金, 在自主搭建的激光熔池凝固过程宏微观实时观察平台上, 研究了激光重熔过程中熔池宏微观形态演化规律。研究发现, 随着激光束扫描的进行, 熔池及其热影响区的宏观形态都先从圆形变为椭圆形, 最后演化为尾部呈“V”形的泪滴状。随着激光功率的增加, 稳态熔池长度L、宽度W、尾部夹角α均增加; 随着扫描速度的增大, 稳态熔池长度L、宽度W、夹角α均减小; 熔池长宽比随功率的增加而增大, 随扫描速度的增加先增大后减小。从熔池中部到熔池尾部液固界面形貌依次呈平面→胞晶→枝晶演化, 胞晶和枝晶一次间距不同, 浅胞间距约为28 μm, 深胞间距约为42 μm, 枝晶间距约为65 μm, 胞枝晶一次间距沿固液界面增大。     

激光选区熔化制造工艺参数对TC4钛合金成型件致密度和硬度的影响规律

采用选区激光熔化(SLM)工艺成型TC4钛合金,运用双因素控制变量法,从输入体能量密度方面,研究了激光功率P、扫描速度V对多层成型件致密度和表面硬度的影响规律。试验结果表明：当单位体积粉末输入体能量密度φ为119.05～166.67 J/mm~3时,成型件致密度可达到96.62%～97.41%,表面显微硬度达到415.2～425.4 HV,高于成型前粉末微粒显微硬度335.4 HV。在激光功率P=200 W、扫描速度V=600 mm/s、铺粉厚度H=0.04 mm、扫描间距S=0.06 mm时,成型件致密度达到97.41%,表面显微硬度达到440.5 HV,成型的钛合金件具有良好的力学性能。     

工艺参数对激光沉积修复钛合金组织和显微硬度的影响

在BT20钛合金基板上进行了不同激光功率、扫描速度等工艺参数的激光沉积修复试验,研究了各工艺参数对BT20钛合金组织及显微硬度的影响规律,并分析了其成因,为优化工艺参数提高激光沉积修复质量提供依据。结果表明：随着激光功率P的增大,柱状晶的长度变短并趋向于等轴晶的转变; 在相同的激光功率下,随着激光扫描速度v的增大,柱状晶的尺寸变得细长; 基体、热影响区、修复区的显微硬度在修复方向逐渐增大。     

激光沉积修复DD5合金的枝晶外延生长控制与显微组织特征

采用DZ125高温合金粉末对DD5合金进行激光沉积修复，通过正交试验的方法，研究了激光功率、扫描速度和送粉量对单道单层沉积区枝晶外延生长的影响，实现了沉积区枝晶外延生长的控制。在此基础上，进行单道多层沉积修复试验，分析测量了单道多层沉积区的显微组织和硬度。结果表明：较低的热输入量和送粉量可显著提高沉积区枝晶外延占比；当激光功率为420 W、扫描速度为6 mm/s、送粉量为1.5 g/min时，单道单层沉积区枝晶外延占比约为100%。单道多层沉积区中下部为平面晶、沿沉积方向外延生长的柱状晶，顶部为等轴晶；沉积区γ′相不均匀地分布在γ相中，枝晶间区域的γ′相尺寸大于枝晶干区域的γ′相尺寸；沉积区底部短棒状MC碳化物沿枝晶间分布，且Ta元素含量较高；沉积区顶部的小块状以及八面体状MC碳化物随机分布。DD5合金基体平均显微硬度为425 HV0.5，沉积区平均显微硬度略高于基体，为449 HV0.5；与沉积区中部相比，沉积区底部和顶部的显微硬度略高，沉积区底部显微硬度最高。     

PMMA疏水性表面的飞秒激光制备研究

利用飞秒激光加工系统对PMMA表面制备微结构,调节激光的加工次数和微结构的尺寸参数,研究PMMA表面的润湿性机理.激光制备出光栅结构和方柱结构,采用超景深三维显微镜和接触角测量仪对微结构表面形貌和润湿性进行测量分析.研究了不同的激光加工次数和微结构尺寸对表面润湿性的影响,结果表明:PMMA表面微结构的接触角随光栅结构间...     

激光表面熔覆层凝固组织特征形成过程

试验研究了激光熔覆层的凝固特征和组织形成规律.结果表明:熔覆层不同位置的凝固特征参数不同.熔覆层底部属于典型的平面外延生长组织,且枝晶粗大;而顶部是较规则的树枝状共晶组织;中部为细小的胞晶和柱状晶;且晶体生长受结晶学各向异性影响.熔覆层组织晶粒形核的非均匀形核特征显著.熔覆层微区成分存在着不均匀性,不同元素沿晶间偏析(富集),是组织不均匀的重要原因.     

铜磷合金粉末选区激光熔化成型研究

为了应用选区激光熔化技术直接制造金属零件,采用Dimetal 240快速成型机对平均直径为75μm的铜磷合金粉末进行了工艺试验。成型机配备200W半导体抽运Nd:YAG激光器,激光功率为103W～117W,内部扫描速度为0.25m/s～0.41m/s,边框扫描速度为0.15m/s,铺粉厚度为0.2mm。所得试样用扫描电镜和光学显微镜进行了微观组织分析。试样层问结合为冶金结合,致密度达到90%以上,层内组织为细长枝晶,层问组织为细小等轴晶。结果表明,通过设定合适的工艺参量,选区激光熔化技术可以直接成型金属零件。     

激光表面熔覆层凝固组织特征形成过程

试验研究了激光熔覆层的凝固特征和组织形成规律.结果表明:熔覆层不同位置的凝固特征参数不同.熔覆层底部属于典型的平面外延生长组织,且枝晶粗大;而顶部是较规则的树枝状共晶组织;中部为细小的胞晶和柱状晶;且晶体生长受结晶学各向异性影响.熔覆层组织晶粒形核的非均匀形核特征显著.熔覆层微区成分存在着不均匀性,不同元素沿晶间偏析(富集),是组织不均匀的重要原因.     

Ti-Ni合金选区激光熔化快速成型基础实验研究

选区激光熔化（SLM）是一种极具挑战力的新型快速成型技术，能一步加工出具有冶金结合，相对密度接近100%，具有复杂结构、高的尺寸精度及好的表面粗糙度的金属零件。选用适用于医学植入体的Ti-Ni合金材料进行了选区激光熔化成型实验研究。讨论了扫描速度、铺粉厚度、激光功率等加工参数对成型致密性及成型精度的影响。设计和成型了梯度网格结构，重点分析了翘曲变形现象的成因及消除方法，认为可通过特殊的扫描策略，减小成型件各处温差的方法有效消除成型件的翘曲变形。对成型样品的内部组织显微分析表明，成型样品达到了完全的冶金结合，内部由枝晶和等轴晶两种组织构成，其分布取决于扫描方式、扫描速度、激光功率等参数。     

镍-磷-纳米氧化铝化学镀层的激光热处理及其摩擦磨损性能

用化学镀技术在中碳钢基片上制备镍-磷-纳米氧化铝复合镀层,并用CO2激光在多种扫描速度及功率密度下对镀层进行热处理.采用能谱(EDS),扫描电子显微镜(SEM),X射线衍射(XRD)、划痕实验和球盘式摩擦磨损实验对镀层的成分、结构形貌、结合力和摩擦学性能等进行表征,并考察工艺参数对镀层结构和耐磨性能的影响.结果表明,激光热处理后镀层由非晶态变为晶态,析出Ni和Ni3P相,而Al2O3仍呈非晶态;镀层硬度因相变硬化而显著提高,表面粗糙度增加和相结构的改变导致摩擦系数上升,镀层结合力小幅度下降,其主要磨损机制为磨粒磨损.在扫描速度1.5~3.0 m/min,激光功率密度5.0~8.3 kW/cm2范围内,镀层硬度高、耐磨性能优异,最低磨损率为1.21×10-5mm3/(N·m).     

激光脉冲频率对不同衬底上非晶硅薄膜晶化的影响

应用不同频率的YAG激光分别对单晶硅及多晶硅衬底上的非晶硅薄膜进行了退火处理。晶化后的非晶硅薄膜的物相结构和表面形貌用XRD和AFM进行分析。XRD测试结果表明:随着激光频率的增加,两种衬底上的非晶硅薄膜晶化晶粒尺寸均出现了先增加后降低的现象。所有非晶硅样品的衍射峰位与衬底一致,说明非晶硅薄膜的晶粒生长是外延生长。从多晶硅衬底样品的XRD可以看出,随着激光频率的增加,激光首先融化衬底表面,然后衬底表层与非晶硅薄膜一起晶化。非晶硅薄膜最佳晶化激光频率分别为:多晶硅衬底20Hz,单晶硅衬底10Hz。     

飞秒激光制备PMMA表面微结构的作用机理和润湿性研究

采用飞秒激光微加工技术对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)表面进行微加工,研究PMMA表面不同微结构的润湿性。首先对飞秒激光去除透明聚合物材料的机理进行研究并建立了材料去除模型,制备出PMMA表面光栅结构和方柱结构;采用超景深三维显微镜和接触角测量仪对微结构表面形貌和润湿性进行测量分析。结果表明:飞秒激光加工PMMA表面微结构可以将PMMA润湿性从亲水向疏水状态转变,微结构间距过小会导致激光加工时飞溅的熔融物堆积在结构通道。     

激光重熔处理工艺对等离子喷涂热障涂层组织的影响

研究了激光不同工艺参数对等离子喷涂ＺｒＯ２热障涂层组织结构的影响,结果表明：随着激光输出功率的增大,重熔组织由单一柱晶结构变为等轴晶＋柱晶双层结构。ＺｒＯ２层最高显微硬度也随之增大,这与等轴晶的存在有关。对两种不同晶体相结构进行ＸＲＤ分析表明：柱晶结构表现出一定的择优取向。     

激光熔覆制备Stellite6涂层的组织与性能

基于激光熔覆同轴送粉技术,在2Cr13不锈钢表面制备了Stellite6合金涂层,研究了工艺参数对涂层宏观形貌的影响,分析了涂层的显微组织和显微硬度。研究结果表明:在激光功率为2.5 kW,扫描速度为5 mm/s,送粉速率为13.2 g/min,搭接率为38 %时,可获得平整无缺陷的Stellite6涂层。熔覆层可分为一次熔化区、道间重熔区和层间重熔区。熔覆层的组织主要由胞状晶和树枝晶构成;相比于一次熔化区,道间重熔区和层间重熔区的组织较为粗大。通过合理调整道间停留时间和层间停留时间,可使熔覆层周期性循环组织中的一次熔化区的组织占比从54.9 %提升至73.1 %,从而提升熔覆层的整体硬度。