激光诱导等离子体加工蓝宝石微结构及其润湿性

激光诱导等离子体刻蚀技术在蓝宝石表面微结构制作方面具有独特的优势。通过控制变量法研究了激光能量密度、靶材和蓝宝石之间的距离和扫描速度对激光诱导等离子体加工蓝宝石微槽的微观形貌和几何尺寸的影响规律。通过正交试验研究了激光诱导等离子体工艺参数对蓝宝石表面微结构接触角的影响,发现扫描线间距对接触角的影响最大,靶材和蓝宝石之间的距离和激光能量密度次之,扫描速度的影响最小。当激光能量密度为6.3 J/cm²,扫描线间距为200μm,靶材和蓝宝石之间的距离为150μm,扫描速度为10 mm/s时,蓝宝石表面微结构的接触角为136°,表现出良好的疏水性;当激光能量密度为7.4 J/cm²,扫描线间距为50μm,靶材和蓝宝石之间的距离为100μm,扫描速度为5 mm/s时,蓝宝石表面微结构的接触角为29°,具有较好的亲水性,并且长时间放置后表面接触角基本保持不变。通过扫描电镜观察发现,蓝宝石表面的微结构上分布着许多纳米颗粒,这些微纳结构共同影响蓝宝石的润湿性。     

碳纤维增强复合材料水导激光加工实验研究

为了研究水导激光加工关键工艺参数对碳纤维增强复合材料(CFRP)沟槽截面形貌与热影响区的影响,利用水导激光加工设备设计单因素实验探究了激光功率、水射流压力、进给速度及激光重复频率四个关键工艺参数对沟槽截面形貌以及热影响区的影响规律,分析了沟槽截面形貌和热影响区形成机理。实验结果表明：激光功率对沟槽烧蚀深度和热影响区的影响最大,水射流压力对沟槽烧蚀宽度的影响最大,进给速度和激光重复频率对沟槽烧蚀深度和宽度的影响不大,对热影响区有较大影响。此外,发现沟槽截面去除区呈V字形,热影响区呈锯齿形状。通过单因素方法分析得到了较好的沟槽截面形貌,其沟槽截面烧蚀深度为772.8μm,烧蚀宽度为897.7μm,铺设方向为90°的碳纤维层热影响区为326.5μm,铺设方向为0°的碳纤维层热影响区为102.4μm。     

碳纤维增强聚合物复合材料水导激光切割损伤机理研究

碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料在水导激光加工后,切缝表面和横截面存在热损伤,这些损伤是影响材料力学性能、降低材料服役性能的重要因素。针对该问题,采用试验方法分析了加工参数对沟槽几何形貌和表面形貌的影响规律,研究了沟槽表面和横截面的热损伤形成机理。研究结果表明：高激光功率、低脉冲频率和低切割速度可有效增大沟槽深度;激光与材料的相互作用和水射流的冲刷作用是形成沟槽表面热损伤的主要原因。在2 mm厚CFRP切割试验中发现：横截面热影响区宽度与纤维排布方向有关,0°碳纤维热影响区宽度最大,45°和135°碳纤维热影响区宽度次之且宽度相近,90°碳纤维热影响宽度最小;另外,提高水射流速度有利于抑制热影响区的扩展,水射流速度由80 m/s提高至120 m/s,最大热影响宽度缩小35.7%。     

硬岩掘进机高压水耦合破岩影响因素实验研究

硬岩掘进机(TBM)在硬岩甚至超硬岩段掘进时,采用高压水射流辅助破岩成为一种有效提高破岩效率的新的研究方向。由于高压水射流破岩受诸多因素影响,作用规律复杂,其破岩机理一直未能被准确揭示。主要利用正交实验方法研究水射流压力、喷嘴直径、喷嘴移动速度对破岩沟槽深度与沟槽宽度的影响,同时结合刀盘贯入度优化水射流压力、喷嘴直径、移动速度等关键参数,探索高压水射流与岩石耦合破岩规律,为进一步揭示破岩机理提供依据。     

微水导激光稳定水束光纤的CFD仿真研究

利用计算流体力学(CFD)的方法对水射流进行了气/液两相流数值模拟分析,研究了一定喷嘴结构下获得最大稳定射流长度时所需的入口速度大小,分析了不同速度下射流破碎长度和稳定长度的及射流破碎形式,并验证了射流的缩流现象。计算结果表明,在直径为0.2mm,长径比为2.5,入口无倒角的喷嘴结构下,喷射速度50²00m/s时,可获得的水射流最大稳定长度70mm。液体经喷嘴喷出时,在喷嘴口会产生缩流,缩流后射流直径约为喷嘴直径的80%200m/s时,可获得的水射流最大稳定长度70mm。液体经喷嘴喷出时,在喷嘴口会产生缩流,缩流后射流直径约为喷嘴直径的80%⁸5%。     

激光选区熔化成形Inconel718合金的显微组织以及电化学和摩擦学性能

以气雾化法制备的Inconel718合金粉末为原料，采用激光选区熔化(SLM)技术制备了Inconel718合金，研究了合金的显微组织及性能，并与锻造态合金进行对比。结果表明：SLM成形合金垂直于成形方向的组织呈现明显的带状熔化道，平行于成形方向的组织呈现鱼鳞状熔池的界面结构，晶粒为穿过熔池边界的柱状晶；SLM成形合金平行于成形方向的显微硬度(346 HV)略大于垂直于成形方向(324 HV);与锻造态合金相比，SLM成形合金在质量分数3.5%NaCl溶液中的阻抗曲线半径更大，自腐蚀电位与钝化电位更高，自腐蚀电流密度低2个数量级，耐腐蚀性能更优；当载荷为3～10 N时，成形合金的摩擦因数在0.5～0.8,磨损率在5.4×10^-5～14.3×10^-5 mm^-3·N^-1·m^-1,均低于锻造态合金。     

YG8硬质合金表面沟槽织构的制备及其减摩特性

采用光纤激光加工设备在YG8硬质合金表面加工出沟槽织构,研究了激光加工参数对织构尺寸及形貌的影响,得到最佳激光加工参数;采用最佳激光加工参数在硬质合金表面加工出4种不同方向的正弦型沟槽织构,研究了干摩擦条件下织构的减摩特性。结果表明:随着激光功率、扫描次数的增加或扫描速度的减小,沟槽织构尺寸增大,但过高的激光功率或过多的扫描次数导致织构底部粗糙;最佳激光加工参数为激光功率40W,扫描速度100mm·s~(-1),扫描次数200次,此时沟槽织构表面形貌较好,织构宽度为160μm,深度为15μm;在试验载荷为2N、滑动速度为20mm·s~(-1)时,正弦中心线与摩擦方向成0°的正弦型沟槽织构的减摩效果优于正弦中心线与摩擦方向成30°,60°,90°的织构,且摩擦因数比光滑试样的降低了25%。     

脉冲激光逐层钎焊金刚石-镍铬合金工艺研究

基于脉冲激光加工时的低能量输入和较小的热影响优势,将其应用到金刚石磨粒的钎焊过程中,以实现多层金刚石磨粒的逐层钎焊成形。通过单道及单层脉冲激光钎焊试验,研究了工艺参数对钎焊成形及对金刚石损伤的影响规律,并优选出较好的工艺参数进行了多层钎焊试验。研究结果表明：在脉冲激光钎焊成形过程中,工艺参数的变化主要通过改变峰值功率密度和线能量密度来影响钎焊成形和金刚石损伤形态。输入的能量密度不足时,钎焊道及钎焊层易出现熔融球、金刚石聚集、熔合不充分、不连续及不平整等现象;输入的能量密度过大时,易出现金刚石损伤、粉末材料及金刚石流失逃逸等现象。当线能量密度为14～25 J/mm²、峰值功率密度在5×10⁵～1.5×10⁶ W/cm²时,可得到平整性良好和金刚石磨粒形态良好的钎焊形貌,且在此参数范围内优选的参数条件下实现了多层结构的逐层钎焊成形,得到了较好的表面成形形态及较低的金刚石损伤形态。多层钎焊试块弯曲试验结果表明,钎焊层与基体之间具有较好的结合强度,未出现钎焊层剥离现象。     

工艺参数对激光选区熔化成形TA32钛合金成形质量及硬度的影响

采用激光选区熔化（SLM）技术制备TA32钛合金试样,研究了激光功率（200～400 W）、扫描速度(800～1 200 mm·s^-1)和扫描间距（90～130μm）对成形质量及硬度的影响。结果表明：随着扫描速度增加,SLM成形TA32钛合金的表面粗糙度先减小后增大,相对密度和维氏硬度均逐渐降低;随着扫描间距增大,钛合金的表面粗糙度先减小后增大,相对密度和维氏硬度均先降低后升高;随着激光功率增加,钛合金的表面粗糙度先减小后增大,相对密度和维氏硬度均先升高后降低;适用于TA32钛合金SLM成形的激光能量密度范围为45～75 J·mm^-3。     

高抗激光损伤阈值光栅后处理抛光技术研究

脉冲压缩光栅是实现高能量激光的核心光学元器件,其制造过程中产生的表面污染物和微结构缺陷成为限制高功率激光系统发展的技术瓶颈,为了提升光栅的激光诱导损伤阈值,提出利用磁性复合流体进行脉冲压缩光栅(PCG)后处理抛光研究。对抛光前后光栅样品的微观结构,表面形貌、表面粗糙度、衍射效率和激光诱导损伤阈值等参数进行测量,进行抛光前后光栅表面质量和光栅性能的评估。研究发现,磁性复合流体抛光能够在不破坏实际光栅结构的前提下抑制加工过程产生的毛刺,微结构缺陷等;经3 min抛光后,光栅顶部表面粗糙度从21.36 nm下降到3.73 nm;激光诱导损伤阈值从2.8 J/cm²提高到3.8 J/cm²,抗激光损伤性能提升35.7%,且不影响衍射效率。实验结果表明：磁性复合流体抛光是一种可以提高光栅元件表面质量,提升光栅元件光学性能的有效方法。     

马氏体时效钢激光选区熔化成形过程介观尺度数值模拟

激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)成形过程涉及多种发生于介观尺度下的物理现象,采用试验方法难以揭示物理现象复杂的形成规律。以18Ni-300马氏体时效钢为SLM成形材料,采用离散元法与有限体积法建立了SLM成形介观尺度热流耦合数值模型,并结合熔道成形试验验证模型的正确性。结合数值模拟揭示激光功率从60 W增加至270 W时单道SLM成形熔道形貌、熔池尺寸与温度、传热机制等熔池行为的基本特征;研究在0.2 J/mm、0.3 J/mm和0.45 J/mm线能量密度下不同激光功率和扫描速度组合对熔道形貌、熔池尺寸与传热机制的影响规律;结合熔道搭接理论模型计算激光功率180 W和扫描速度600 mm/s组合下无搭接缺陷的扫描间距理论临界条件约为83μm,并研究80μm、100μm和120μm扫描间距下多道多层SLM成形熔道搭接行为和演变规律。该模型可用于筛选工艺参数区间,提高工艺优化效率,为单层/多层成形的工艺试验提供指导。     

激光能量密度对SLM成形316L不锈钢表面完整性的影响

采用激光选区熔化(Selective Laser Melting, SLM)技术成形制备316L不锈钢试样,探索了不同激光能量密度对金属增材制造成形质量的影响规律。选取激光功率、扫描间距、扫描速度和铺粉厚度等工艺参数,设计了正交试验,分析了激光能量密度对试件侧表面的表面粗糙度、维氏硬度、致密度、残余应力及表面形貌的影响规律。结果表明,随着激光能量密度的增大,试件侧表面的表面粗糙度与维氏硬度呈现先减小后增大的趋势,致密度和残余应力呈现先增大后减小的趋势,在激光能量密度为70.37 J/mm³时试件表面质量最佳,即最优工艺参数为激光功率P=190 W,扫描速度v=750 mm/s,铺粉厚度h=0.03 mm,扫描间距d=0.12 mm。     

能量密度对激光选区熔化成形AlSi10Mg合金缺陷及力学性能的影响

分析了能量密度对激光选区熔化成形AlSi10Mg合金致密度的影响规律，并采用微纳CT检测结合EDS能谱分析的方法，统计了试样内部缺陷的类型和尺寸，分析了缺陷在试样三维层面上的分布规律及产生原因，得出了影响激光选区熔化成形AlSi10Mg合金致密度和内部缺陷的主要因素。结果表明，合适的激光能量输入是获得高致密度的关键，当激光能量密度处于47.62~50.00 J/mm³区间时，试样致密度最高，此时试样中夹杂缺陷消失，孔洞缺陷最大尺寸降至0.056 mm。孔洞缺陷产生原因主要与未熔粉体、空心粉及氧化物有关。在优选激光能量密度区间内成形的AlSi10Mg合金试样，其平均抗拉强度和伸长率分别在294 MPa和8.0%以上，优于铸造AlSi10Mg合金。     

激光能量密度对CrFeCoNiNb熔覆层组织演变和性能影响的试验研究

采用预置粉末法在42CrMo基体表面制备CrFeCoNiNb高熵合金激光熔覆层,探索激光能量密度对CrFeCoNiNb熔覆层组织和性能的影响规律。对于预置粉末激光熔覆工艺,激光功率、扫描速度、光斑直径作为工艺参数三要素,不是独立影响熔覆层质量与性能,且激光功率对熔覆层质量与性能的影响最大。通过改变激光功率进而改变作用于熔覆层的激光能量密度,研究激光能量密度对CrFeCoNiNb高熵合金熔覆层硬度、耐磨性和耐腐蚀性的影响规律。试验结果表明：熔覆层主相为面心立方结构相(FCC相)和密排六方结构相(Laves相)。随着激光能量密度的增加,其衍射峰面积先减少后增加,熔覆层晶粒先细化后粗化,转折点处的激光能量密度都为116.7 J/mm²。而且,此时熔覆层物相分布更均匀,磨损形貌主要为光滑的犁沟,相应的减摩效果好,磨损率有所降低。主相含量的改变和晶粒尺寸的改变分别是影响熔覆层平均显微硬度和耐腐蚀性的主要因素。Laves硬质相的增加有利于熔覆层硬度的提高,细化的晶粒可以形成致密的钝化膜,有利于提高熔覆层耐腐蚀性。     

ZrO_2陶瓷生坯表面微织构制备工艺的研究

通过冷等静压技术制备Zr O_2陶瓷生坯,并利用脉冲激光在陶瓷生坯表面制备微织构沟槽。探究激光参数对表面微织构质量的影响,并研究烧蚀区域的热影响区和激光烧蚀表面的微观形态变化。实验结果表明:通过激光加工可以在Zr O_2陶瓷生坯表面加工出深度30-50μm、宽度15-50μm质量较好的微织构沟槽;激光参数对表面加工质量有较大的影响,激光频率低于40Hz、功率低于6W和扫描速度高于200mm/s能够获得较好的表面质量;当激光频率高于60Hz、功率高于10W和扫描速度低于150mm/s时,在激光烧蚀表面容易形成烧蚀层,分析得知烧蚀层是由于在激光高温照射下Zr O_2颗粒的熔化和再凝固形成的。     

镍基高温合金磨削出口毛刺的有限元分析

为揭示镍基高温合金磨削过程中出口毛刺的形成机理,文章建立了单颗PCBN磨粒高速磨削Inconel718合金的二维模型,并验证了模型的可行性。运用仿真软件DEFORM-2D对磨削出口毛刺的形成过程进行了研究,将其形成过程分为了8个阶段,并在不同磨削条件下采用正交实验法分析了磨削速度、磨削深度、磨粒圆锥角和磨粒刃口半径对磨削出口毛刺的影响规律。研究表明：磨削出口毛刺的尺寸主要由毛刺宽度和高度组成,毛刺宽度和高度均对磨削深度比较敏感,磨削深度越大,毛刺的宽度和高度也越大。另外,磨削速度、磨粒顶锥角、磨粒刃口半径增大,毛刺宽度也随之增加,但毛刺高度对这3个参数不是很敏感。     

微铣金属表面微沟槽结构的粗糙度及形貌分析

为了提高和改善微沟槽表面质量,设计了高速微铣削实验,研究了微沟槽底面表面粗糙度和侧壁残留毛刺的变化规律。从理论角度引入了已加工表面的形成机理,建立了微观表面粗糙度理论模型,提出了刀具跳动对侧壁形貌变化影响的规律。利用三轴联动精密微细铣削机床加工微细直沟槽,并选取主轴转速、轴向切深、进给速度、刀具跳动量和材料组织结构为研究因素。采用多因素正交实验和极差分析法,对表面粗糙度值进行数值分析。铝合金,钢和钛合金三类微沟槽底面对应的最佳表面粗糙度值变化范围分别为1.073~1.481 μm,0.485~0.883 μm,0.235~0.267 μm;无刀具跳动钛合金微沟槽壁毛刺的最大高度为7.637 μm,而当刀具存在0.3 μm的径向综合跳动量时对应的微槽壁毛刺的最大高度为21.79 μm。铣削参数对表面粗糙度值的影响按从大到小依次为进给速度、主轴转速、轴向切深,且随着进给速度和轴向切深的增大,表面粗糙度值增大;随着主轴转速的增大,表面粗糙度值先减小后增大;在相同加工条件下,若微圆弧刀刃无磨损,微刀具的跳动量对微直沟槽侧壁表面质量有较大影响。同时,不同金属材料特性也是影响微沟槽表面质量的潜在因素。     

激光诱导前向传送中的热分析

针对激光诱导前向传送中牺牲层的热破坏,利用双温方程模型对激光与钛层的电子-晶格系统的作用过程进行分析,结合热传导方程模拟了钛层的纵向温度传递,获得了钛层的温度场。模拟发现激光脉冲能量,光斑直径决定了激光光斑的能量密度,纳米钛层的厚度决定了激光的透光率,三者共同影响钛层最终温度。当脉冲能量为7μJ ,光斑直径为40μm ,钛层厚度为80 nm时,数值计算的微孔尺寸为11.5μm ,与实验的11.77μm基本吻合,说明该数值模型可靠,可用于预测激光诱导前向传送中钛层的破坏。     

基于30CrNi2MoVA的激光熔化沉积工艺参数研究

使用30CrNi2MoVA钢粉末在激光熔化沉积设备上进行了相应的工艺研究,探索了激光功率与扫描速度对沉积层宽度和高度的影响,并对工艺参数与沉积尺寸进行了回归分析,建立了相应的回归模型,确立了工艺参数对沉积尺寸的影响规律。其中激光功率与沉积层的高度、宽度呈正相关,而扫描速度与沉积层的高度、宽度呈负相关。根据沉积层尺寸的标准差和沉积质量对线能量密度K进行分析,发现K值在85～200 J/mm沉积质量较好。在获取沉积尺寸过程中,采用了激光轮廓仪进行测量,其优点在于获取数据量大且精度较高,可为沉积质量判断、尺寸预测等进一研究提供充足数据。     

Inconel 718高温合金飞秒激光逐层环切打孔技术

采用波长为1 064 nm,脉宽为300 fs的飞秒激光对1 mm厚度的Inconel 718高温合金进行逐层环切打孔,比较了与传统环切打孔的区别,发现逐层环切打孔可以明显降低微孔锥度、提高微孔进出口圆度,从而改善微孔质量。通过控制变量法研究了扫描速度、单脉冲能量及重复频率对飞秒激光逐层环切打孔进出口孔径、微孔锥度等质量的影响。发现扫描速度对微孔出口孔径和出口圆度影响较大,提升重复频率对微孔孔径影响较小,略微降低了微孔锥度;随着单脉冲能量的增加,微孔进口孔径增加,出口孔径先增加再下降,微孔锥度先降低后上升。