纳米孪晶立方氮化硼的飞秒激光材料去除机理

为实现能应用于超精密切削的新型超硬纳米孪晶立方氮化硼(nt-cBN)刀具的制备,探索了飞秒激光烧蚀方法对nt-cBN的材料去除特性。使用激光单点烧蚀方法及理论公式计算出了nt-cBN的烧蚀阈值及阈值功率,分别为0.523 J/cm~2和4.1 mW;基于烧蚀阈值,对nt-cBN材料在多种烧蚀功率下的单点烧蚀圆孔形貌进行了表征,并分析了不同阶段圆孔内壁多种微结构的形成与演变机理,阐明了随激光功率增加,nt-cBN表面经历了快速热汽化、熔化和相爆炸三种材料去除机理,并形成了纳米驼峰、爆裂和周期性波纹等不同烧蚀显微结构;对nt-cBN块材进行了直线扫描烧蚀加工,提出了基于光束扫描的动态烧蚀过程对材料的破坏形式及去除原理,并与单点烧蚀形成对比;建立了不同烧蚀功率下,飞秒激光扫描速度与加工微槽宽度和深度的关系曲线,并分析了烧蚀功率和扫描速度对加工效率和加工质量的影响规律,提出了能够保证加工效率并同时改善加工质量的激光扫描速度在0.1 mm/s左右。     

雷达功率组件的金刚石微通道热沉激光加工工艺

为研究雷达功率组件金刚石微通道热沉的加工难题,开展了飞秒激光加工多晶金刚石微流道的工艺研究,仿真模拟了飞秒激光作用于金刚石表面的温度场分布,以及诱导去除过程,理论与实验研究了金刚石的烧蚀阈值,系统研究了激光能量、扫描速度、扫描次数、焦点位置等参量及其优化工艺参数对金刚石微槽尺寸的影响规律。结果表明:当飞秒激光功率大于0.3 W时,激光作用于金刚石的最高温度超过材料去除的气化温度,温度最高位置处于光斑中心,功率不会改变温度场的分布情形;飞秒激光加工金刚石的烧蚀阈值为1.80 J/cm2,金刚石微槽深度与激光功率、扫描次数正相关,与扫描速度负相关,与正负离焦量基本成对称分布关系,而金刚石微槽表面宽度则变化不明显;在激光功率为5 W,扫描速度为100 mm/s,扫描次数为30,离焦量为-0.5 mm的优化参数下,加工出的金刚石微槽结构形状规则,截面侧壁锥度控制在3°以内,表面无残渣、裂纹、崩边等缺陷,且内部也无裂纹等缺陷,加工一致性较高,实现了微通道的 “冷”加工,可满足雷达功率组件金刚石热沉对微通道的高质量加工要求。     

皮秒激光辅助砂带磨削TC17钛合金材料去除行为研究

钛合金具有强度高、耐热性好等特点，属于典型的难加工材料。激光辅助加工可改变材料的性能，显著提高材料的加工性能。提出了皮秒激光辅助砂带磨削TC17钛合金新方法，基于皮秒激光辅助单磨粒划擦，研究了激光辐照工艺参数对表面预热温度以及磨粒的不同初始压力对主切削力、材料去除行为的影响规律。仿真结果表明，激光功率和激光扫描速度均对表面温度影响显著，在激光功率为4.8 W和激光扫描速度为300 mm/s时，激光辐照表面最大温度为2 019℃，超过了TC17的熔点。实验结果表明，与单磨粒划擦相比，皮秒激光辅助单磨粒划擦可显著减小主切削力，最大可减小58.7%；适当的激光功率辅助加工可提高材料的去除能力，在激光功率为1.8～2.4 W时最优，过大的激光功率反而会导致材料去除能力变弱；辅助加工材料去除行为仍主要表现为延性去除，磨屑随着激光功率的增加逐渐转变为锯齿形磨屑。皮秒激光辅助砂带磨削加工结果显示，磨削区域的力热耦合作用降低，提高了表面的加工质量。     

飞秒激光加工SiC的烧蚀阈值及材料去除机理

超短脉冲激光微加工技术以其独特的优势,尤其是对硬脆难加工类宽带隙材料的精密处理,而使其成为微结构加工中的研究热点.利用飞秒激光微加工系统对宽带隙材料SiC的烧蚀特性进行理论和试验研究.应用扫描电子显微镜、原子力显微镜和光学显微镜等检测技术对样品的烧蚀形貌进行检测,以分析烧蚀区域的形貌特征及微结构质量.依据烧蚀孔径和入射脉冲激光能量之间的函数关系,得出SiC材料的烧蚀阈值为0.31 J/cm2,并估算出光束的束腰半径为32 μm.研究脉冲数目、重复频率和入射激光功率等对加工微结构形貌的影响规律,根据试验参数加工出形状规则的微孔结构,并对微结构的烧蚀形貌及材料的去除机理进行分析,为实现微结构的精密加工提供了重要的指导.     

刀具表面微织构激光加工方法研究与分析

在刀具的表面加工微织构,可显著提升刀具的切削性能,大幅提高刀具耐用度并延长刀具的使用寿命。本文利用脉冲激光在硬质合金(WC-Co,YG8)刀具的表面加工微织构,重点对激光功率、频率、脉冲个数和光斑直径对微坑织构的尺寸、形貌以及激光加工中产生微裂纹的影响进行了系列试验研究。采用波长λ=1064nm、激光功率W=90W、频率f=20Hz、脉冲个数n=20、光斑直径d=500μm的激光参数,在硬质合金刀片300℃预热处理后,用带有4个档位的超声振动辅助手段在刀具表面加工微坑织构。并选用原始激光加工后的硬质合金片和热处理超声振动辅助激光加工后的硬质合金刀片进行比较,试验结果表明,当刀具采用预热处理后,辅以超声振动进行激光加工的方法对控制刀具表面织构尺寸精度、刀具表面形貌的均一稳定和抑制表面微裂纹的产生具有重要意义。     

选区激光熔化成形CoCrFeNiCuAl0.8高熵合金的组织与性能

采用选区激光熔化成形(SLM)技术制备CoCrFeNiCuAl_0.8高熵合金,研究了不同激光热输入(0.06～0.36 J·mm^-1)下合金的成形质量和密度,确定最优成形工艺参数,并分析了在最优成形工艺参数下合金的显微组织和拉伸性能。结果表明：随着热输入的增加,SLM成形合金的密度先增大,当热输入大于0.15 J·mm^-1时,密度基本保持不变;当热输入为0.34 J·mm^-1时,密度最大,为7.5 g·cm^-3,最优工艺参数为激光功率270 W、扫描速度800 mm·s^-1。SLM成形合金具有由无序体心立方相(A2相)和有序体心立方相(B2相)组成的双相结构,显微组织由柱状晶和等轴晶组成,屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率分别为651 MPa, 840 MPa, 22%,23%,断裂机制为韧性断裂。     

激光体能量密度对激光选区熔化成形TC4钛合金致密化行为的影响

采用激光选区熔化(SLM)技术制备TC4钛合金,研究了激光体能量密度对合金表面质量和致密化行为的影响。结果表明:随着激光体能量密度由33 J·mm-3增加到80 J·mm-3,合金表面粗糙度减小,表面质量提高,表面球化现象明显改善;随着激光体能量密度的增大,合金内部孔洞减少,相对密度由90.5%增大到99.3%,但过高的激光体能量密度下熔体的过度流动影响成形件的尺寸精度及性能;制备该合金的最佳参数为激光体能量密度66 J·mm-3,即激光功率250 W,扫描速度500 mm·s-1,此时合金的表面质量和致密性均较好。     

纳秒激光加工2.5维Cf/SiC复合材料的烧蚀孔洞特征

针对新型材料2.5维碳纤维增强陶瓷基（Cf/SiC）复合材料采用传统机械加工难以去除加工的问题，采用纳秒激光烧蚀2.5维Cf/SiC复合材料，烧蚀后采用扫描电子显微镜观察其烧蚀孔洞形貌特征，并分析其烧蚀去除机制，讨论激光加工参数对烧蚀孔径的影响。研究表明，Cf/SiC复合材料的激光烧蚀区域出现烧蚀孔洞、重凝、纤维断口、末端气胀，以及长轴与纤维方向一致的椭圆形材料性能变化区域等烧蚀现象；激光烧蚀Cf/SiC复合材料过程中存在氧化的化学变化现象；烧蚀产生的孔径随烧蚀功率的增加和烧蚀时间的延长而增大，烧蚀时间和烧蚀功率均较大时，可能存在烧蚀孔洞被重凝材料堵塞或部分堵塞的情况。计算出纳秒激光的束腰半径为223 μm，纳秒激光烧蚀Cf/SiC复合材料的烧蚀阈值为0.32 J/cm2。     

磨粒粒径对蓝宝石研磨均匀性影响的试验研究

通过蓝宝石衬底的单面研磨试验研究,分析了W14和W3.5的B4C磨粒研磨后蓝宝石表面的微观形貌和宏观形貌,W14的B4C磨粒加工后蓝宝石表面微观裂纹密集且交错分布,体现了以滚轧和挤压为主的材料脆性去除作用,相同条件下,W3.5的B4C磨粒加工的蓝宝石表面划痕均匀,表面无微观裂纹,实现了以切削为主的材料延性去除形式.测试分析结果表明:磨粒粒径的选择对蓝宝石的研磨表面状态具有重要影响,其选择准则除考虑要达到的粗糙度等级之外,还必须同时考虑与研磨盘的嵌入作用及其对加工表面状态的影响;W3.5的B4C磨粒研磨加工后的蓝宝石表面宏观和微观均匀性良好,表面粗糙度、平面度等符合抛光前道工序的要求.     

离子后处理对TiO2光学薄膜及损伤特性的影响

为了进一步提高TiO_2薄膜的光学特性和激光损伤阈值,采用电子束蒸发技术在K9玻璃上沉积了单层TiO_2薄膜,并用Ar/O混合等离子体对样品进行后处理。通过研究薄膜光谱特性、表面缺陷密度、薄膜表面形貌、薄膜损伤阈值以及薄膜损伤形貌,分析了等离子体后处理时间对TiO_2薄膜激光损伤特性的影响。实验结果表明,随着等离子体后处理时间的增加,薄膜折射率及致密度提高,物理厚度减少,表面粗糙度下降,表面缺陷密度先减少后增加;在1 064nm激光辐射下,TiO_2薄膜的激光损伤阈值从未经等离子后处理的5.6J/cm~2提升至后处理20min的9.65J/cm~2,提升幅度高达72.3%,因此能够更广泛更稳定地应用在激光器中。     

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。     

GH4169镍基高温合金车削加工刀具失效机理研究

以镍基高温合金GH4169为试验材料,用超细硬质合金涂层刀具进行车削加工,研究刀具在车削GH4169材料时的失效机理。通过扫描电子显微镜(SEM)和元素能谱检测(EDS)分别对失效刀具的刃口区域、前刀面区域、后刀面区域和沟槽磨区域的磨损进行失效形貌检测和合金元素成分的分析测试。结果表明:超细硬质合金涂层刀具车削加工镍基合金GH4169时,刀具的失效机理在不同位置有所不同,刃口以氧化磨损失效和粘结磨损失效为主,前刀面和后刀面以磨粒磨损失效为主,沟槽以及沟槽外以崩缺失效为主。     

汽车电子元件引脚表面镀层的激光清洗试验研究

为解决某型号汽车用电子元件黄铜引脚表面Ni-Au镀层对连接质量的影响,开展激光去除其表面镀层的试验研究。通过调整扫描速度、激光频率、激光功率及扫描次数对试样进行激光清洗,利用显微镜系统观察并分析清洗后试样的表面形貌,并基于正交试验法研究四种因素对清洗效果的影响。结果表明,当扫描速度为100mm/s、频率为25kHz、激光功率为90W、扫描次数为4次时,能在不损伤黄铜基底的前提下有效去除镀层,清晰显露黄铜基底,达到良好的清洗效果;其中,激光功率对激光清洗效果的影响最大,激光频率的影响则小于其他三种因素。激光功率达到100W时对表面镀层有较好的清洗效果,但扫描速度慢、作用时间长时会破坏黄铜基体表面。     

不同激光参量及辅助工艺对毛化形貌的影响

为了探究激光参数及辅助工艺对毛化形貌的影响规律,采用SP-100C-A-S6-A-A型光纤激光器在Cr12Mo V模具钢表面开展系统的激光毛化工艺试验研究。使用WKYO-NT1100三维形貌测量仪和显微硬度仪检测获得毛化形貌和表面硬度,通过单因素法分析脉冲宽度、激光功率、辅助气体压力、涂料涂层对毛化形貌的影响。结果表明:随着脉冲宽度的增加,毛化形貌的直径和高度均随之增大;随着激光功率的增加,毛化形貌的直径逐渐增大,而高度先增大后趋于稳定;辅助气体压力和涂料涂层均对毛化形貌的直径和高度有着显著的影响;与基材相比,毛化区域材料表面显微硬度增大了约40%左右。     

激光毛化表面微形貌成形工艺实验研究

为了探究激光工艺参数及辅助工艺对毛化形貌种类和形貌几何参数的影响规律及其机理,本文采用光纤激光器,在Cr12mov模具钢试样上开展激光毛化工艺实验研究。实验研究结果表明:在不同的工艺参数下,能获得球冠状、凹顶球冠状和火山口状三种典型毛化形貌;毛化点的直径和高度随激光功率的增大而呈增大趋势,随脉冲宽度的增大亦呈增大趋势,且表面涂料材料也对毛化点的直径和高度有一定影响;对火山口形貌区域材料的显微硬度进行测量,与基材相比,毛化区域材料表面显微硬度增大约40%。     

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%。     

旋转超声磨削加工建模与仿真研究

旋转超声磨削加工结合超声加工和磨削加工的技术优势，在难加工零件的精密制造中具有较大应用潜力。根据旋转超声磨削加工机理，建立旋转超声磨削加工中材料去除体积和加工表面粗糙度的数值计算模型。基于MATLAB软件编写旋转超声磨削加工仿真程序，对材料去除体积、加工表面形貌和表面粗糙度进行仿真模拟，并探究不同加工参数对表面粗糙度和材料去除体积的影响规律。仿真结果表明：主轴转速与超声振动频率之比(n/f)对加工表面形貌和去除体积有决定性影响，n/f比值增大能够有效降低表面粗糙度和提升材料去除体积；详细探讨了磨粒直径、振幅等参数对旋转超声磨削加工表面形貌和去除体积的影响规律，并仿真模拟了参数优化前后的加工表面形貌。     

三维微坑织构刀具耐磨损性能研究

采用激光加工技术,在硬质合金刀具的前刀面制备出直径为35μm、30μm、25μm、20μm的微坑阵列,分析激光功率、打标速度、打标次数对微织构形貌和质量的影响;通过正交切削试验对比微坑阵列刀具和无织构刀具的耐磨损性能,从刀具磨损长度、宽度、工件表面粗糙度、切屑的黏刀量等进行评价。结果表面:通过合理的控制激光加工过程中激光功率、打标速度、打标次数来制备出符合要求的微织构形貌;微坑直径的大小对刀具的耐磨损性能有一定的影响,随着微坑直径的不断减小刀具的耐磨损性能有一定的提高,Ti6Al4V合金表面粗糙度不断减小;当直径小于25μm时,刀具的耐磨损性不断减弱,Ti6Al4V合金表面粗糙度不断增加;微坑织构对于刀-屑摩擦接触状态、抗黏附、耐磨减阻、存储切屑等方面有着积极的作用。     

飞秒激光进给速度对TiC陶瓷微孔加工的影响

采用螺旋打孔技术,在不同的激光进给速度下在TiC陶瓷上加工了微孔。用扫描电子显微镜分析了微孔形貌,利用能量色散谱仪研究了激光加工前后材料化学成分的变化,并结合X射线光电子能谱术(XPS)讨论了材料化学键的变化,探讨了利用飞秒激光加工TiC陶瓷过程中材料的去除机理。结果表明:所得到的微孔具有较好的形貌特征,孔边缘没有出现明显的微裂纹。微孔入口圆度达98%以上,入口直径略小于出口直径。激光进给速度对入口处孔边缘的微观形貌影响较大。进给速度较低时,激光切蚀区域出现平行的条纹状周期结构,随着进给速度的增加,表面以混沌的颗粒状结构为主。在较低或较高的进给速度下,重铸层都会出现更为剧烈的氧化现象,实验显示最佳的进给速率应在6.4μm/s左右。XPS分析显示材料的去除主要是通过多光子吸收,在加工过程中发生Ti-C键的断裂产生的Ti离子被氧化后会生成TiO2和Ti2O3。     

体能量密度对选区激光熔化成形Hastelloy X合金组织及性能的影响

采用选区激光熔化(SLM)技术制备了Hastelloy X合金,研究了体能量密度(18.3,29.8,30.3,44.9,46.3,50.9,58.8,61.7,88.4J·mm~(-3))对合金微观形貌、显微组织、密度和硬度的影响。结果表明:SLM成形Hastelloy X合金纵截面形貌呈鱼鳞状,在熔池区域存在等轴晶、树枝晶及跨越多个沉积层的柱状晶,晶粒宽度为0.61.2μm;体能量密度在18.346.3J·mm~(-3)时,合金内部存在孔隙缺陷,随着体能量密度的继续增加,孔隙逐渐减少并消失,同时微裂纹开始形成并逐渐增多;合金的密度和硬度随体能量密度增加先增加后趋于稳定;当体能量密度为50.9J·mm~(-3)时,合金中的孔隙和微裂纹最少,成形效果最好。