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。     

GH909合金激光焊接接头的微观组织特征

采用光纤激光器对2 mm厚GH909合金进行焊接实验,探究了焊缝横截面宏/微观成形、外延生长组织演变和接头典型位置的晶体分布特征。研究结果表明：GH909合金焊缝呈典型的沙漏形,焊缝区晶粒尺寸明显大于母材和热影响区的晶粒尺寸;典型的柱状晶析出在焊缝中部和下部,少量等轴晶在焊缝顶部形成;平面生长的针状晶优先在上部近焊缝区形成,并通过竞争淘汰转变为稳定生长的细长柱状树枝晶,与此同时,中部近缝区发生胞状晶、胞状树枝晶向柱状树枝晶的转变;迁移晶界出现在热影响区,焊缝中靠近熔合线的位置存在外延生长和非外延生长两种生长模式;焊缝中部晶粒呈现为典型的非连续生长特征,晶粒宽度由小变大,但立即被新晶粒代替;焊缝上部晶粒的生长方向一致,呈现聚集特征,连续生长的γ柱状晶最终形成贯穿的巨大晶粒。     

基于双向光斑重叠率调控的耦合激光抛光碳化硅陶瓷的表面质量研究

采用多光束耦合纳秒激光对SiC陶瓷进行抛光试验研究，研究了耦合激光的双向光斑重叠率(δ)和能量密度(ED)对抛光表面质量的影响。使用激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪以及拉曼光谱仪等仪器观测表征了SiC陶瓷抛光前后的表面形貌、表面粗糙度、元素分布以及物相变化等。结果表明：随着δ和ED的增加，激光抛光表面出现重铸层，重铸层的拉曼光谱曲线含有Si的特征峰；当耦合激光的δ为75%、ED为4.254 J/cm²、扫描次数为2时，抛光表面粗糙度(R_a)降至0.73μm；当δ和ED过大时，抛光表面易在孔隙附近出现微裂纹，并向周围延伸。     

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。     

TiNi合金/纯镍/不锈钢激光微焊接熔化区的微观组织

以纯镍丝为填充材料,采用精密脉冲激光实现了厚度为0.2 mm的TiNi形状记忆合金/不锈钢异种材料的焊接,研究了熔化区（焊缝和熔合区）的组织形貌和微观结构。结果表明,焊缝中心晶粒呈外延连续生长的特征。连续生长的枝晶可以跨越3~5个脉冲激光形成的鱼鳞纹,长度可以达到约200 μm。焊缝与两侧母材的熔合区呈现完全不同的形貌,在不锈钢母材与焊缝的接合界面,枝晶沿着不锈钢母材的熔合线生长,在枝晶间有二次晶轴;在TiNi合金与焊缝的熔合区,有一层宽度约为5 μm的过渡层将焊缝与母材隔开。     

基于成分梯度的激光快速熔炼镍基合金显微组织形成及演化机理研究

航空发动机中涡轮盘及涡轮叶片的服役条件不同，通过制备梯度材料可以避免涡轮盘与涡轮叶片连接处提前失效。然而，梯度过渡区的成分变化会导致合金组织改变，是影响性能的关键。为探究合金成分变化对镍基梯度材料显微组织的影响，本团队选用镍基粉末高温合金和定向镍基高温合金为原料，利用激光快速熔炼技术，通过调整两种合金的混合比例，制备出了11种典型成分的合金锭；研究了合金成分对梯度合金晶粒形貌和析出相的影响，重点探讨了合金的枝晶形貌、析出相尺寸和含量随合金成分的变化规律。结果表明：激光快速熔炼11种成分镍基合金锭显微组织中的一次枝晶和二次枝晶臂均比较发达，合金成分改变对枝晶形貌的影响较小，平均一次枝晶间距约为110μm，显微组织均由γ相、γ’相、碳化物和γ/γ’共晶组成；随着镍基粉末高温合金含量的降低，合金锭中γ’相的含量和尺寸不断增加；由于元素偏析，γ’相形成元素Al、Ti、Ta、Nb会偏析在枝晶间，导致枝晶间γ’相的含量及尺寸均大于枝晶干。11个试样的显微硬度值相差不大，整体硬度值分布在500 HV左右。     

激光冲击强化TC4微观组织演化及纳米晶形成

为了揭示激光冲击强化诱导的表面纳米晶形成机制,通过电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)对TC4钛合金表层微观组织进行了分析。结果表明,试件表面冲击区域的相分布无明显变化,但平均晶粒尺寸由3.78μm下降至3.18μm,且高水平应变的分布更均匀。激光冲击强化使小角度晶界向大角度晶界转变,织构强度减弱且极向呈多向化分布,晶粒取向分布更随机。截面微观组织依次为表层纳米晶、次表层位错胞、高密度位错和内部带有低密度位错的基体粗晶。分析认为,表面纳米晶是由一系列复杂的位错运动引起的,符合连续动态再结晶机制。试件表面晶体畸变能最大,且瞬态温升高达755℃,因此动态再结晶过程进行得最充分。     

近红外飞秒激光诱导非晶硅薄膜的晶化

1kHz的飞秒激光辐照在非晶硅薄膜后会使得辐照区域的薄膜产生晶化现象.拉曼光谱表明这个激光诱导晶化过程与入射激光的能量及其模式分布有密切的联系.扫描电镜观测发现激光辐照区域形成了粗糙的表面纹理,并且大量的晶粒形成在这个结构表面.这个晶化现象可能是由于爆炸晶化成核和晶粒外延生长共同作用的结果,进一步的研究表明这种飞秒激光...     

热输入对0Cr16Ni6合金激光熔覆修复层组织与性能的影响

针对0Cr16Ni6合金开展激光快速修复试验，利用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM),观察分析所得接头的接头显微组织构成，利用显微硬度计检测接头硬度。研究表明：激光快速修复0Cr16Ni6合金接头分为基体、热影响区以及熔覆区；随着激光热输入的增加，热影响区组织形貌变化不大，与基体相似，由块状铁素体、奥氏体及其上析出的碳化物和少量板条状马氏体组成，且与熔覆区存在明显的分界线；熔覆区顶部区域组织分布均匀，主要为树枝晶，熔覆区中部呈现树枝晶向柱状枝晶过渡的趋势，熔覆区下部为柱状枝晶，枝晶尺寸随着激光热输入的增加而增大；熔覆区主要由基体γ相、强化相γ′和γ′′相及沿枝晶边界析出的白色不规则相δ和MC相等组成；随激光热输入的逐渐增加，热影响区宽度D和深度H的变动不大，仅存在±0.05 mm以内的微小波动；熔宽d和熔高h逐渐增加；熔覆区平均硬度值随单位时间内热输入量的增加，呈现先增加后减小的趋势，且各区域显微硬度值排序为熔覆区>基体>热影响区。     

激光熔化沉积TC17钛合金光纤激光焊接特性

利用光纤激光对激光熔化沉积TC17钛合金与锻造TC17钛合金薄板进行了激光热导熔化焊接,利用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪和显微硬度计分析了接头的组织结构及显微硬度分布。结果表明,TC17钛合金激光熔化沉积件及锻件薄壁板状试样激光焊接接头凝固组织为沿未熔母材外延定向生长的细小树枝晶组织。锻造钛合金焊缝热影响区(HAZ)大且热影响区β晶粒发生了严重的长大现象,而激光熔化沉积钛合金焊缝热影响区小且热影响区β晶粒尺寸几乎无明显变化,表现出优异的焊接热稳定性。无论锻造钛合金还是激光熔化沉积钛合金,其焊缝区显微硬度高于母材,热影响区显微硬度低于母材。     

热处理对激光选区熔化IN718合金室温低周疲劳性能的影响

Inconel 718高温合金被广泛用于制造航天发动机等的热端零部件，提高其疲劳性能对于零部件的长期稳定服役意义重大。研究了不同热处理制度对激光选区熔化成形Inconel 718合金微观组织、相分布及疲劳性能的影响。采用电镜和电子背散射衍射仪分析了热处理试样的断口形貌、断口纵剖面应力分布及微观特征，详细阐述了热处理合金的低周疲劳断裂机理。结果表明：相较于成形态，热处理合金内部析出了δ相和γ″、γ′强化相，内部应力得以释放，疲劳性能显著提升。经过均匀化+固溶+双时效热处理后，Inconel 718合金的疲劳循环周次能够达到31990次。基于Orowan强化机制，晶粒内弥散分布的γ″、γ′强化相以及晶界上析出的δ相会阻碍位错滑移，从而延缓基体中微裂纹的扩展，增加疲劳过程中的循环周次。本次试验采用的热处理制度为激光选区熔化成形Inconel 718零部件提供了参考。     

SUS301L不锈钢CO_2激光-MIG复合焊接头组织性能研究

针对2mm厚SUS301L奥氏体不锈钢薄板进行CO2激光-熔化极惰性气体保护电弧(MIG)复合对接焊试验,深入分析了焊接接头不同区域的显微组织及相组成,研究了装配间隙对焊接接头微观组织和力学性能的影响。结果表明,SUS301L奥氏体不锈钢复合焊接接头中心区域呈一定方向性的细小枝晶组织,未出现等轴晶区域,偏离焊缝中心区为垂直于熔合线向焊缝中心生长的柱状晶组织,距焊缝中心距离越远,晶粒越粗大;焊接接头主要由γ奥氏体相和少量δ铁素体相组成,焊缝凝固模式为铁素体-奥氏体结晶(FA)模式,凝固过程中发生的δ-γ转变由块状转变和相界面处的短程自由扩散作用共同完成;随着装配间隙的增大,焊缝残余δ铁素体含量逐渐降低,抗拉强度随之下降,断裂发生在焊缝靠近熔合线区域的粗大柱状晶区。     

钛合金基体上激光熔覆制备钛铝化物基复合涂层组织特征

采用含有Ti,Al,Nb,Cr,C元素的混合金属粉末，以激光熔覆的方法在Ti-6Al-4V合金基材上制备了钛铝化物基原位合成碳化物增强复合涂层，分析了涂层的成形、组织组成、成分分布、相结构组成以及显微硬度分布等显微结构特征。所制备的涂层组织细小均匀，其显微结构特征可以描述为：等轴γ-TiAl＋层片(γ-TiAl/α2-Ti3Al)＋碳化物增强相，其中，等轴的γ-TiAl晶粒尺寸在微米量级，γ-TiAl/α2-Ti3Al 层片间距在500 nm以下，碳化物增强相在涂层内部均匀分布，呈微米级的短棒状形态。     

NiTiNb激光焊接接头退火前后的显微组织和力学性能分析

采用Nd:YAG脉冲激光焊机实现了200μm厚的NiTiNb形状记忆合金的激光焊接。焊接接头在850℃进行了退火处理。借助于光学显微镜、扫描电镜、精密拉伸机对接头的显微组织和力学性能进行了分析。结果表明,未热处理焊接接头的显微组织存在分层现象。熔合区的晶粒外延生长,焊缝中心为细小的等轴晶。焊接接头的抗拉强度为母材的90%。焊接接头断口韧窝小而浅,表现为延性断裂。热处理后焊缝的等轴晶消失,粗晶区和偏析区交替分布。母材和焊接接头都出现了应力诱发马氏体现象,表现为伪弹性。焊接接头的屈服强度仅为母材屈服强度的60%,母材和焊接接头的显微硬度低于热处理前的显微硬度。     

ZM5镁合金薄壁铸件光纤激光补焊工艺与组织性能研究

采用光纤激光对ZM5镁合金薄壁铸件进行补焊研究,以焊道稀释率和表面交角进行工艺评价,通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)表征了样品的显微组织、相组成,并作了拉伸试验分析。结果表明,补焊焊缝稀释率和焊道表面交角成线性相关变化,补焊层由细小的等轴树枝晶组成,平均晶粒直径为15~20μm,约为ZM5母材的1/4;补焊层基体组织为α-Mg相,晶界析出Mg-Al共晶相,其中β-Mg17Al12以连续网状或不规则的点状析出;补焊层抗拉强度和延伸率优于母材,补焊层拉伸断口为准解理断裂,断口有少量韧窝,而经均匀化热处理的母材断口为脆性断裂的解理断口。组织表征和性能试验表明,光纤激光可实现ZM5镁合金铸件的缺陷补焊,且在工艺上具有很好的适应性。     

激光沉积修复ZL114A铝合金的显微组织及显微硬度研究

为了研究激光沉积技术修复ZL114A铝合金构件的工艺及性能，采用多参数组合激光沉积工艺实验制备了单道单层试样，在分析了其表面形貌、气孔等缺陷产生的原因的基础上，得到了一组相对优化的工艺参数，制备了无缺陷的块状修复试样，并对试样进行了组织分析及硬度检测。结果表明:铝合金修复试样修复区与基材形成良好的冶金结合，沉积层底部为以熔池边缘为起点外延生长的柱状树枝晶，且一次枝晶间距18。38 m，二次枝晶间距9。55 m，在沉积层顶层顶部出现-Al柱状枝晶转变为等轴枝晶现象。层带区域Si相脱溶析出并趋于粒状化。由于晶粒细化和固溶强化作用，沉积区显微硬度较基材提高25。8%。     

镁合金激光熔凝层显微组织分析

采用激光熔凝技术处理镁合金,系统分析了激光熔凝处理后熔凝层组织变化特征。研究结果表明,激光熔凝处理后,熔凝层相组成仍为α-Mg和β-Mg17Al12,其中β相含量较原始镁合金有所提高。熔凝层组织呈明显的树枝晶形貌特征,较原始镁合金晶粒显著细化,且沿熔凝层深度增加,枝晶尺寸逐渐增大。透射电镜分析进一步证明了熔凝层由密排六方结构的α-Mg和体心立方结构的β-Mg17Al12组成,其中β相呈板条状、短柱状和六棱柱状多种形态析出。另外,当激光功率从2 kW增加到5 kW时,熔凝层中β含量和枝晶尺寸均增加,且枝晶长度方向的增加幅度约为宽度方向上增加幅度的10倍。在枝晶细化和沉淀强化综合作用下,熔凝层的耐磨性较原始镁合金有显著提高。     

激光熔覆原位自生复相陶瓷颗粒增强涂层

借助光学显微镜、X射线衍射仪、电子探针及显微硬度计等手段对熔覆层的组织、物相、元素分布和显微硬度分布特征进行了研究。熔覆层不同位置的凝固特征参数不同,形成的组织亦不同。陶瓷相的引入使得熔覆层晶粒细小,枝晶生长方向发生紊乱。原位反应生成的TiB2,Al2O3为亚微米颗粒,主要分布在晶粒内部,形成晶内复合,而未反应的TiO2,B2O3陶瓷颗粒分布在晶间。熔覆层物相主要为基体的γ相和基体上弥散分布的γ'相以及Al2O3,TiB2等陶瓷相等。研究了激光加工参数对显微硬度分布的影响。磨损试验表明,陶瓷增强颗粒的加入在很大程度上提高了覆层的抗磨损性能。     

多次激光冲击Ti-6Al-4V钛合金表面纳米化研究

为了研究激光冲击Ti-6Al-4V钛合金下的表面纳米化和微观结构的演变特性,采用短脉冲Nd:YAG激光器对Ti-6Al-4V钛合金表面分别进行了激光冲击实验,得到了不同激光冲击次数下钛合金表面的微观组织和相应表面硬度。随着激光冲击次数增加,晶粒尺寸逐渐减小并形成纳米晶粒;冲击3次以上时,纳米晶数量明显增多、尺寸分布更加均匀,表面出现取向更加随机的等轴纳米晶;冲击5次后,随着冲击次数增加,钛合金表面纳米晶粒尺寸没有出现明显降低的趋势,始终保持50nm~130nm;不同冲击次数下纳米层的深度不会明显增加,纳米层深度约为15μm~20μm;冲击次数5次以上后,钛合金表面硬度趋于稳定,最大值约为525HV~530HV。结果表明,Ti-6Al-4V钛合金表面纳米化程度随着激光冲击次数的增加而提高;在5次激光冲击后钛合金表面的纳米化程度达到渐饱和状态,表面具有分布较好的纳米晶和较高的硬度。这表明多次激光冲击钛合金表面可以实现晶粒从微米级向纳米级转化。     

激光对焊TC4接头微观组织及显微硬度研究

激光焊接作为一种飞机上钛合金部件的新型焊接方式而受到国内外广泛关注。本文采用不同功率激光对焊TC4接头,应用体式显微镜、扫描电镜,X射线衍射仪和硬度仪研究了不同工艺参数下各部位的微宏观形貌和显微硬度。结果表明,随激光功率增大,试件逐渐焊透,熔池内物相由等轴树枝晶转变为大β晶粒内的片状α/α′相;等轴树枝晶尺寸增加,α/α′/片层厚度减小;焊接接头的硬度沿测试线的波动随功率增大而增加,激光功率为550W时硬度分布最为均匀。