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激光固态相变贝氏体道岔钢滚动磨损与接触疲劳行为研究
1
作者 李鹏 姚鑫宇 +4 位作者 王梁 汪渊 丁昊昊 张群莉 王文健 《表面技术》 北大核心 2025年第17期150-161,共12页
目的 探讨激光固态相变提升贝氏体道岔钢耐磨性能和抗滚动接触疲劳性能的可行性。方法 首先,对贝氏体道岔钢进行激光固态相变处理,分析激光固态相变后贝氏体道岔钢的微观组织和力学性能。然后,利用MJP-30A型滚动接触疲劳试验机开展滚动... 目的 探讨激光固态相变提升贝氏体道岔钢耐磨性能和抗滚动接触疲劳性能的可行性。方法 首先,对贝氏体道岔钢进行激光固态相变处理,分析激光固态相变后贝氏体道岔钢的微观组织和力学性能。然后,利用MJP-30A型滚动接触疲劳试验机开展滚动接触模拟试验,分析激光固态相变对贝氏体道岔钢磨损与接触疲劳演变规律的影响。最后,讨论激光固态相变处理贝氏体道岔钢的滚动接触疲劳损伤机理。结果 经激光固态相变处理后,形成了板条状马氏体为主的相变硬化区和回火马氏体为主的回火软化区,相变硬化区的表面硬度为503HV0.2~549HV0.2,相较于基体提升了14.3%,回火软化区的表面硬度为451HV0.2~482HV0.2,与基体接近。与未处理贝氏体相比,激光固态相变贝氏体的磨损率降低了83.4%,耐磨性显著提升。此外,裂纹扩展结果表明,未处理贝氏体试样以网状损伤为主,激光固态相变贝氏体试样以单条裂纹损伤为主,当裂纹穿过激光固态相变产生的马氏体层到达基体区域时,裂纹发生偏折,以大角度向基体内部扩展。结论 通过激光固态相变可以提升贝氏体道岔钢的耐磨损和抗滚动接触疲劳性能,相变硬化区的抗疲劳性能最优,回火软化区次之,未处理贝氏体试样的抗疲劳性能最差。 展开更多
关键词 贝氏体道岔钢 激光固态相变 相变硬化 回火软化 磨损 接触疲劳
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激光固态相变U75V材料滚动接触疲劳损伤行为研究
2
作者 王彦杰 王梁 +5 位作者 张沭玥 丁昊昊 王春昌 张群莉 王文健 刘启跃 《表面技术》 北大核心 2025年第19期127-142,共16页
目的铁路道岔的结构复杂,车轮与道岔之间的动态相互作用较剧烈,容易出现磨损和接触疲劳损伤,因此提高道岔的耐磨性和滚动接触疲劳性能成为亟须解决的关键问题。激光固态相变技术在提升材料力学性能和耐损伤性能方面展现出巨大潜力,但该... 目的铁路道岔的结构复杂,车轮与道岔之间的动态相互作用较剧烈,容易出现磨损和接触疲劳损伤,因此提高道岔的耐磨性和滚动接触疲劳性能成为亟须解决的关键问题。激光固态相变技术在提升材料力学性能和耐损伤性能方面展现出巨大潜力,但该技术尚未在道岔应用中得到系统研究,这里旨在探索该技术在道岔钢轨中的应用可行性,并为激光固态相变U75V材料在道岔上的应用提供理论支撑。方法首先分析不同搭接率下激光固态相变U75V材料的硬度和微观组织分布,并利用MJP-30A滚动磨损与接触疲劳试验机模拟道岔滚动接触载荷,研究激光固态相变U75V的滚动接触疲劳损伤的演变规律,并讨论滚动接触疲劳损伤机理。结果激光固态相变能够改变U75V材料的微观组织,并提高材料的硬度。在激光固态相变后,形成了以针状马氏体为主的硬化区和以回火马氏体为主的软化区,硬化区表面硬度分布在800HV0.2左右,相较于基体的平均硬度(339HV0.2)提升了1.36倍;软化区表面硬度分布在650HV0.2左右,介于硬化区与基体之间。通过激光固态相变能够提高U75V材料的耐磨性能和抗塑性变形性能,与未处理U75V相比,在干态10000 r后,激光固态相变U75V材料的磨损量降低了26.3%,硬化区塑性变形层深度减小了97.7%,软化区塑性变形层深度减小了95%。未处理U75V的疲劳裂纹扩展现象严重,在水态下、5000 r时就发生了严重的疲劳剥落现象。在循环转数较小时激光固态相变U75V的硬化区主要为细小疲劳裂纹,软化区主要为表层细小密集的多层裂纹。在循环转数(130000 r)较大时,硬化区和软化区发生了疲劳剥落,软化区表层细小密集的裂纹会被磨掉,部分裂纹会扩展,出现枝裂纹。结论通过激光固态相变能够提高U75V材料的滚动接触疲劳性能。 展开更多
关键词 激光固态相变 U75V材料 微观组织 塑性变形 滚动接触疲劳
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GCr15钢激光固态相变滚动接触疲劳性能研究
3
作者 张群莉 胡牛楠 +5 位作者 项一侯 陈智君 王建刚 陈凯 安少刚 姚建华 《表面技术》 北大核心 2025年第7期129-138,150,共11页
目的基于高速列车运行工况的复杂性,更高的转速将导致其轴承滚道发生更严重的磨损,需要硬度更高、深度更深的强化层保护轴承在高周次循环下的正常运行,采用深层强化技术,深入研究强化层深度对其滚动接触疲劳性能的影响,以期指导工程实... 目的基于高速列车运行工况的复杂性,更高的转速将导致其轴承滚道发生更严重的磨损,需要硬度更高、深度更深的强化层保护轴承在高周次循环下的正常运行,采用深层强化技术,深入研究强化层深度对其滚动接触疲劳性能的影响,以期指导工程实践。方法采用平面线接触滚动接触疲劳装置,分析不同强化层深度对GCr15轴承钢滚动接触疲劳性能的影响。使用金相显微镜、扫描电镜、显微硬度计、激光共聚焦显微镜等设备分析不同深度强化层的组织转变和滚动接触疲劳损伤机理。结果GCr15轴承钢表层因激光固态相变的快速加热和冷却过程,形成隐晶马氏体,碳化物形态由不规则聚集转变为更均匀、更细小的球状碳化物,表层硬度显著增加。同时,激光固态相变引入了最高达373 MPa的残余压应力,残余压应力对抑制裂纹扩展具有显著效果,可使材料在保持较好耐磨性的同时提高其滚动接触疲劳性能。结论在相同的疲劳试验条件下,强化层深度越大,材料的抗塑性变形能力越强,裂纹扩展更困难,疲劳损伤由表面早期大面积剥落转为局部剥落损伤,该研究可为高速列车轴承的表面强化处理提供参考。 展开更多
关键词 激光固态相变 GCR15轴承钢 滚动接触疲劳性能 损伤机理
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循环流化床锅炉受热面激光表面强化技术研究进展
4
作者 张德运 郑亚风 +5 位作者 安原龙 王贺超 冯亦武 张盼盼 张群莉 姚建华 《洁净煤技术》 北大核心 2025年第7期172-184,共13页
随着工业化进程的加速,循环流化床(Circulating Fluidized Bed,CFB)锅炉作为关键的能源转换设备,在众多工业应用中发挥着至关重要的作用。然而,CFB锅炉的受热面在长期运行中常遭受磨损和腐蚀,这不仅降低了运行效率,还缩短了其使用寿命... 随着工业化进程的加速,循环流化床(Circulating Fluidized Bed,CFB)锅炉作为关键的能源转换设备,在众多工业应用中发挥着至关重要的作用。然而,CFB锅炉的受热面在长期运行中常遭受磨损和腐蚀,这不仅降低了运行效率,还缩短了其使用寿命。为了应对这一挑战,激光表面强化技术以其显著的优势,逐渐成为提升锅炉受热面性能的有效解决方案。综合评估了激光表面强化技术在提高CFB锅炉受热面耐磨和耐蚀性能方面的有效性,并对其在工业应用中的潜力和面临的挑战进行了深入探讨。首先概述了激光表面强化技术的基础原理和关键方法,包括激光淬火、激光重熔、激光合金化、激光冲击强化和激光熔覆等。这些技术能够在材料表面形成具有高硬度和高耐磨性的涂层,从而显著延长锅炉部件的使用寿命,增强其可靠性。进一步地,分析了这些技术在实际工业应用中的效果,证实了激光表面强化技术不仅能显著提升材料的表面硬度和耐磨性,还能通过产生残余压应力层来增强材料的耐腐蚀性。此外,该技术还具备非接触性、强可控性和强化效果显著等优点。尽管如此,激光表面强化技术在推广过程中仍面临一些挑战,包括对工艺参数的精确控制、成本控制以及技术的复杂性等。针对这些挑战,未来的研究将集中于技术的优化,包括开发高精度自动化控制系统、研究新型合金粉末和添加剂,以及探索更经济高效的激光设备和技术方案。文章还探讨了激光表面强化技术在工业环境中的适应性及其潜在的创新应用前景,为学术.界提供了新的交流视角,并对未来的发展趋势进行了展望,指出了研究方向。随着技术的持续进步和成本的降低,预计激光表面强化技术将在工业领域获得更广泛的应用,对提升能源转换效率和促进环境保护具有重要意义。综上所述,激光表面强化技术为CFB锅炉受热面的改进提供了一种有效的策略,有望在未来的工业应用中发挥更加关键的作用,为实现能源的高效利用和环境的可持续发展做出积极贡献。 展开更多
关键词 循环流化床锅炉 耐磨耐蚀 激光淬火 激光重熔 激光合金化 激光冲击强化 激光熔覆
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织构化异形波纹板激光成形试验研究(特邀)
5
作者 姚喆赫 张开心 +4 位作者 洪锦源 范伟鑫 陈健 迟一鸣 姚建华 《红外与激光工程》 北大核心 2025年第9期254-264,共11页
针对金属波纹板在微反应器中传热效率受限和局部过热问题,提出了一种具有多级结构的织构化异形流道设计及其激光成形方法。基于有限元模拟对比了斜线形、单圆弧和双圆弧三种流道线型的流速、压降及传热性能。在此基础上优化了流道进出... 针对金属波纹板在微反应器中传热效率受限和局部过热问题,提出了一种具有多级结构的织构化异形流道设计及其激光成形方法。基于有限元模拟对比了斜线形、单圆弧和双圆弧三种流道线型的流速、压降及传热性能。在此基础上优化了流道进出口尺寸比并引入微孔织构。同时,开展了连续激光加工微织构工艺参数试验研究,确定了较好的加工参数组合,实现了微孔织构的高质量加工和织构化异形波纹板的制造,并通过共聚焦显微镜验证了成形质量。研究结果表明,双圆弧流道因其平滑的曲率过渡特性,实现了0.60 m/s的出口流速与19.90 W·m^(−2)·K^(−1)的对流换热系数,其综合性能优于斜线形和单圆弧流道。进一步优化双圆弧流道进出口尺寸并引入微孔织构后,出口流速与对流换热系数分别提升至0.65 m/s和22.46 W·m^(−2)·K^(−1)。此外,在激光功率350 W、扫描次数15、扫描速度200 mm/s、扫描直径325μm的组合参数下,实现了平均深度30.1μm微孔加工。共聚焦显微镜表征显示,成形流道壁面平均倾角为44.3°,流道底部与顶部、壁面之间成形平行度偏差分别为4.6°和5.2°,且微孔附近的平均波度增加了0.07μm。文中研究结果为波纹板流道设计及织构化异形波纹板的激光精密制造提供了方法参考。 展开更多
关键词 激光加工技术 异形波纹板 多级结构流道设计 微孔织构
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激光同步复合微弧氧化制备TiO_(2)/ZrO_(2)涂层的特性及性能研究
6
作者 吴国龙 陈祥辉 +2 位作者 王晔 殷延益 姚建华 《表面技术》 北大核心 2025年第15期176-188,共13页
目的减少微弧氧化的涂层缺陷,增大涂层中增韧相的含量,提升试样的耐蚀和拉伸性能。方法采用激光同步复合微弧氧化(Laser-assisted micro-arc oxidation,LAMAO)方法,将激光同步辐照于微弧氧化加工区域,在Ti6Al4V合金表面原位制备ZrO_(2)/... 目的减少微弧氧化的涂层缺陷,增大涂层中增韧相的含量,提升试样的耐蚀和拉伸性能。方法采用激光同步复合微弧氧化(Laser-assisted micro-arc oxidation,LAMAO)方法,将激光同步辐照于微弧氧化加工区域,在Ti6Al4V合金表面原位制备ZrO_(2)/TiO_(2)复合涂层。由高速相机原位采集基体表面等离子体放电光学信息,研究激光复合对微弧氧化过程放电状态的影响。通过SEM、EDS、XRD等技术对涂层的形貌特征、元素分布、物相组成进行表征。同时,通过Mott-Schottky曲线、动电位极化曲线、电化学阻抗谱测试,以及采用室温拉伸试验评价试样的耐腐蚀性能和拉伸性能。结果采用激光同步复合方法提高了微弧氧化加工区域的整体放电强度及放电均匀性,显著减小了造成涂层缺陷的大弧斑放电面积占比,大弧斑放电面积占比从32.78%降至11.93%。相较于MAO涂层,LAMAO涂层的致密度明显提升,其缺陷密度显著降低,且增韧相ZrO_(2)的含量大幅增加。LAMAO试样与其他试样相比,其极化电阻、内部致密层电阻和阻抗模量均明显提高,表现出较佳的耐蚀性能。在抗拉强度、断后伸长率、屈服强度及韧窝特征等方面,LAMAO试样均表现出优于MAO试样的拉伸性能。结论采用激光同步复合方法提高了微弧氧化过程中的放电均匀性,减少了涂层缺陷,促进了增韧相的形成,提升了试样的耐蚀和拉伸性能。 展开更多
关键词 微弧氧化 激光复合 钛合金 耐蚀性能 拉伸性能
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激光原位制备多元颗粒增强钛基复合涂层的组织及性能研究
7
作者 迟一鸣 余璐涛 +3 位作者 钱大虎 王建刚 韩伯群 姚建华 《表面技术》 北大核心 2025年第5期154-166,共13页
目的针对钛合金硬度低、耐磨性差的问题,在钛合金表面制备钛基复合涂层,以扩展它在高负载耐磨环境下的应用。方法采用激光合金化工艺在钛合金表面原位制备多元颗粒增强钛基复合涂层,研究不同质量分数的B_(4)C与Ni基合金粉末混合后制备... 目的针对钛合金硬度低、耐磨性差的问题,在钛合金表面制备钛基复合涂层,以扩展它在高负载耐磨环境下的应用。方法采用激光合金化工艺在钛合金表面原位制备多元颗粒增强钛基复合涂层,研究不同质量分数的B_(4)C与Ni基合金粉末混合后制备的涂层的物相组成、微观组织和耐磨性能。结果当B_(4)C的质量分数为0时,涂层主要由网状Ni-Ti金属间化合物和β-Ti基底组成,加入B_(4)C后的涂层中原位生成了TiB_(2)、TiB、TiC等多元陶瓷颗粒,且随着B_(4)C含量的增加,原位生成的陶瓷强化相含量显著增加。涂层内出现了板条状组织和块状组织,颗粒状第二相数量明显增加。当B_(4)C的质量分数由0增加到20%时,涂层的显微硬度逐渐提高,涂层的平均显微硬度最高提升至1006.7HV0.3,约为基体的2.65倍,涂层的耐磨性能随着B_(4)C含量的增加呈先提高后下降的趋势。当B_(4)C的质量分数为15%时,涂层的耐磨性能最佳,相较于基体提高了约6.3倍。结论原位生成的棒状TiB_(2)为颗粒状TiC提供了有效的异质形核核心,熔池中多元TiB_(2)、TiC可相互依附、相间生长,最终形成颗粒-棒状、颗粒-板条状或颗粒-块状的复合组织,进一步提高了涂层的显微硬度和耐磨性能。 展开更多
关键词 激光合金化 原位自生 多元颗粒 TiC-TiB_(2)复合组织 耐磨性能
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高端装备激光表面改性与再制造专栏 序言
8
作者 姚建华 《中国表面工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期I0001-I0001,共1页
高端装备制造业是现代工业体系的核心支撑,表面性能是保障高端装备长周期、高可靠服役的关键。激光辐照能够在金属表面引发多种物理或化学反应,如固态相变、熔凝和气化等,为激光表面工程的发展提供了基础,催生了一系列激光表面改性与再... 高端装备制造业是现代工业体系的核心支撑,表面性能是保障高端装备长周期、高可靠服役的关键。激光辐照能够在金属表面引发多种物理或化学反应,如固态相变、熔凝和气化等,为激光表面工程的发展提供了基础,催生了一系列激光表面改性与再制造技术,实现了对于新件的表面性能提升与失效件的快速形性恢复,达到高端装备延寿的目标,已成为全球竞相发展的热点技术。此外,通过融合不同的能量场和工艺,能场/工艺复合表面改性与再制造技术亦不断涌现,拓宽了应用范围,取得了一系列重要成果。 展开更多
关键词 现代工业体系 高端装备制造业 再制造技术 激光表面改性 热点技术 固态相变 能量场 激光辐照
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激光复合制造技术研究现状及展望 被引量：14
9
作者 姚建华 《电加工与模具》 2017年第A01期4-11,共8页
综述了国内外激光复合制造技术的研究现状,从激光复合焊接技术、激光复合切割/打孔、激光复合表面改性和激光复合成形等四个方面阐明了激光复合制造技术的优势,明确了激光复合制造的内涵概念,并根据激光复合制造技术目前的研究现状和未... 综述了国内外激光复合制造技术的研究现状,从激光复合焊接技术、激光复合切割/打孔、激光复合表面改性和激光复合成形等四个方面阐明了激光复合制造技术的优势,明确了激光复合制造的内涵概念,并根据激光复合制造技术目前的研究现状和未来的发展趋势,指出了激光复合制造技术在协同作用机理、工艺优化、智能化控制及成套设备等方面面临的挑战。 展开更多
关键词 激光复合制造 焊接 切割 表面改性 立体成形
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42CrMo钢激光-电磁感应复合淬火过程应力与变形研究 被引量：4
10
作者 张群莉 李国昌 +5 位作者 董浩芃 沈鹏 陈智君 吴国龙 任得余 姚建华 《表面技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第21期142-152,共11页
目的提高激光强化风电机组轴承的尺寸稳定性,对激光-电磁感应复合淬火过程中的应力演化过程进行分析,并研究工艺参数对淬火变形的影响规律。方法通过考虑淬火相关的工艺过程、材料参数、热源输入及边界条件,使用COMSOL软件建立42CrMo钢... 目的提高激光强化风电机组轴承的尺寸稳定性,对激光-电磁感应复合淬火过程中的应力演化过程进行分析,并研究工艺参数对淬火变形的影响规律。方法通过考虑淬火相关的工艺过程、材料参数、热源输入及边界条件,使用COMSOL软件建立42CrMo钢激光-电磁感应复合淬火数学温度-组织-应力场多物理场耦合模型,研究淬火过程中的温度、组织和应力变化过程,并进行复合淬火实验验证。通过改进边界条件,建立轴承试件的淬火模型,通过改变相关工艺参数包括激光功率、感应功率和扫描速度,研究工艺对轴承淬火变形的影响规律,并与实际轴承实验结果进行对比。结果经实验测试结果和模型结果对比,感应和激光的温度相对误差分别为5.48%和9.69%,淬硬层深度的相对误差为5.66%,工件中心点应力相对误差为7.14%。结合温度变化和组织变化,将应力变化过程分为感应加热阶段、激光加热阶段、自然冷却阶段和强制水冷阶段。改进后的大轴承表面变形量的模拟值与实验值相对平均误差为0.58%。结论在复合淬火过程中,应力同时受到热应力和组织相变应力的影响,热应力和组织相变应力在每个阶段起作用的主体不同。随着激光功率和感应功率的减小,以及扫描速度的增大,轴承内圈外滚道表面法向位移变小,尺寸稳定性越好。 展开更多
关键词 42CRMO钢 激光-电磁感应复合淬火 应力 变形 模拟
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超声振动对激光熔覆过程应变场的影响研究(特邀)
11
作者 姚喆赫 杨诗轩 +4 位作者 祝毅 金志扬 王发博 杨华勇 姚建华 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2024年第11期78-90,I0002,I0004,共15页
激光熔覆凭借其热影响区小、组织致密、结合强度高等优点,广泛应用于航空、动力、冶金等领域。然而,由于熔覆过程剧烈的加热和冷却,产生的不均匀应变易导致残余拉应力。超声振动在加强熔池流动、降低温度梯度以及均匀组织分布等方面具... 激光熔覆凭借其热影响区小、组织致密、结合强度高等优点,广泛应用于航空、动力、冶金等领域。然而,由于熔覆过程剧烈的加热和冷却,产生的不均匀应变易导致残余拉应力。超声振动在加强熔池流动、降低温度梯度以及均匀组织分布等方面具有显著效果,有望减小并均匀化应变场,为此文中在316L不锈钢基板上开展了超声辅助激光送丝熔覆试验,研究超声对熔覆过程应变场的影响。为表征超声辅助激光熔覆过程中的应变场变化情况,引入数字图像相关技术(Digital Image Correlation,DIC),并基于其误差来源提出了优化的散斑质量评价指标,制备了适用于观测激光熔覆过程应变分布的高温散斑;采用高速相机对熔覆过程进行原位观测与DIC分析,并对比有无超声振动时的应变分布情况,阐明了超声振动对激光熔覆过程的应变场影响规律。结果表明:超声振动能显著均匀化应变集中区域并减小应变峰值。沿垂直熔覆层方向最大应变值由0.0167降至0.0094,降低了43.47%,同时距熔覆层1 mm处P_(1)点在整个熔覆过程的x、y方向应变峰值降低幅度可达30.15%。超声振动对应变场的作用效果随超声功率的增加而愈加显著。超声作用下熔池表面出现明显波动,熔池流动加剧,熔覆层内颗粒状析出相得到抑制。文中研究结果为激光熔覆过程应变实时监测提供了方法参考,并为高质量激光熔覆成形提供技术支撑。 展开更多
关键词 激光熔覆 超声振动 数字图像相关 应变场
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连接金具用Q235钢表面激光合金化耐磨耐蚀涂层的组织及性能研究 被引量：5
12
作者 周海飞 李凤瑞 +4 位作者 王河 钱大虎 余璐涛 迟一鸣 姚建华 《表面技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第21期208-219,共12页
目的解决电网连接金具存在的硬度低、耐磨性差、易腐蚀失效等问题。方法采用激光合金化工艺在常见连接金具材料Q235钢表面制备均匀致密的K500涂层和K500+WC复合涂层,研究涂层的物相组成、微观组织、WC颗粒的溶解析出行为,并对其耐磨性... 目的解决电网连接金具存在的硬度低、耐磨性差、易腐蚀失效等问题。方法采用激光合金化工艺在常见连接金具材料Q235钢表面制备均匀致密的K500涂层和K500+WC复合涂层,研究涂层的物相组成、微观组织、WC颗粒的溶解析出行为,并对其耐磨性能和耐蚀性能进行分析。结果K500涂层由γ-(Fe,Ni,Cu)单相固溶体组成,其组织结构从底部到顶部经历了从平面晶向柱状晶、枝晶,最后到顶部等轴晶的转变。K500+WC涂层主要由γ相固溶体、WC、W2C组成,在熔池中WC颗粒边缘溶解,形成了几微米的元素扩散区域,该区域内析出枝晶状、块状碳化物,熔池底部富Fe元素区域还析出了鱼骨状Fe3W3C碳化物。K500涂层和K500+WC涂层的平均显微硬度分别为244.73HV0.2、355.27HV0.2,磨损率分别比基材降低了41.48%、85.39%,耐磨性能显著提升,这得益于γ相的固溶强化及碳化物的弥散强化效应。结论K500涂层中的Ni、Cu等元素在腐蚀初期会形成致密的氧化膜,将涂层与腐蚀性介质隔离,有效降低了腐蚀速率。加入WC颗粒后,耐蚀性良好的γ相含量降低,涂层内部微界面增多、腐蚀通道增加,导致K500+WC涂层的耐蚀性略微降低,但仍明显优于基材。 展开更多
关键词 激光合金化 电网连接金具 WC颗粒 耐磨性能 耐腐蚀性能
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激光热应力成形弯折区形貌演变规律研究
13
作者 范伟鑫 姚喆赫 +3 位作者 潘成颢 洪锦源 刘云峰 姚建华 《表面技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第13期175-186,197,共13页
目的针对激光热应力成形弯折区增厚现象,揭示激光热输入、弯曲角度和成形机制对弯曲过程的影响,以及弯折区域形貌的演变规律,为提高激光热应力成形弯折区域的形貌可控性提供参考。方法采用高速相机拍摄成形过程中热输入和弯曲角度对弯... 目的针对激光热应力成形弯折区增厚现象,揭示激光热输入、弯曲角度和成形机制对弯曲过程的影响,以及弯折区域形貌的演变规律,为提高激光热应力成形弯折区域的形貌可控性提供参考。方法采用高速相机拍摄成形过程中热输入和弯曲角度对弯折区的宏/微观形貌的作用效果,并采用共聚焦显微镜观察试样的宏观形貌,采用光学显微镜分析微观组织,通过维氏显微硬度计测量弯折区附近材料的硬度分布情况,同时结合温度场数值模拟和表面张力理论分析,揭示弯折区形貌的影响因素及形成机制。结果在低比能作用下,弯折区的熔融材料在激光扫描结束后快速凝固,并在扫描次数逐渐增加的过程中其表面逐渐隆起,并形成凸起状形貌,表面粗糙度随着扫描次数的增加呈现上升趋势,由5.5μm增至37.6μm。在高比能作用下,熔融材料的流动性得到提升,并在表面张力的作用下充分铺展,宏观形貌由凸变平,最后呈现凹形形貌,表面粗糙度随着扫描次数的增加呈现相反的变化趋势,由31.7μm减至5.8μm。此外,在塑性成形过程中,熔池流动仍受到成形角两侧壁面的限制。硬度测试结果表明,激光热应力成形弯折熔凝区域的硬度略高于基体的硬度,热影响区的硬度比基体的硬度降低了40%。结论激光热输入、弯曲角度和成形机制会影响弯折区材料表面的挤压、熔化、流动、凝固过程,以及材料内部的温度梯度和界面表面张力,在这些因素的影响下弯折区域的轮廓形貌、成形粗糙度、显微组织和硬度分布发生了变化。 展开更多
关键词 激光热应力成形 弯折区 比能 表面张力 形貌 硬度分布
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水帘结构同步水冷装置对光-粉同路激光熔覆温度场的影响研究
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作者 杨高林 刘谭亮 +4 位作者 雍兆 郑权航 王晓江 石岳林 姚建华 《表面技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第13期13-21,共9页
目的解决大型设备激光增材修复过程中的局部升温易烧蚀零件边缘、熔化内部导线及橡胶圈、损坏原有结构的问题。方法采用Fluent软件和VOF模型研究水帘下干区稳定气液两相流模型,通过Abaqus软件和热传导三定律、热弹塑性理论、热变形理论... 目的解决大型设备激光增材修复过程中的局部升温易烧蚀零件边缘、熔化内部导线及橡胶圈、损坏原有结构的问题。方法采用Fluent软件和VOF模型研究水帘下干区稳定气液两相流模型,通过Abaqus软件和热传导三定律、热弹塑性理论、热变形理论建立温度场和弯曲变形的数值模型,并通过对比光-粉同路和同步水冷2种方式下熔覆316L不锈钢的熔池形貌、晶粒尺寸、热量累积、弯曲变形差异,验证同步水冷对熔覆过程中温度场的影响机理。结果同步水冷装置内部水帘呈散射状流向四周,能够形成稳定的干区环境,沉积后的金相表面无明显气孔、裂纹等缺陷。在相同参数单道沉积时,温度云图和熔池形貌表明,水冷有效缩减了熔池的大小,但其对熔池凝固速度的影响较小,二者平均晶粒尺寸仅存在略微差别,分别为28.81μm和27.55μm。多道沉积时,水帘的冷却作用拔高了熔池边缘的温度差异,拉低了外延区域的热量累积,在降低基板整体温度的同时,增大了熔池边缘的温度梯度,而温差的增大带来了更大的热应力,导致不同沉积方式下基板的变形程度不同。在悬臂梁搭接熔覆试验中,采用热电偶测得同步水冷能保持基板背面温度在50℃以下,而光-粉同路最高能达到500℃。同时,悬臂梁厚度较薄时,基板上下面温差产生的热应力大于基板自身约束力,试样发生严重变形,且含同步水冷的变形更为明显。厚度增加时,试样自身约束力增大,变形量差异逐渐减小。结论同步水冷水路的耦合限制了熔池热量的深入与扩散,可以有效实现熔覆过程中加工区域的温度控制,同时也会导致在工件较薄时弯曲变形程度提升,但在板材厚度大于3 mm时,变形量差别趋于相同,且越来越小。 展开更多
关键词 同步水冷 光-粉同路 增材制造 温度控制 能场复合 数值模拟
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Si含量对316L不锈钢激光熔覆层凝固行为和显微组织的影响 被引量：2
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作者 古青 包海斌 +5 位作者 王永强 冯敏敏 董刚 尤涵潇 杨高林 姚建华 《表面技术》 北大核心 2025年第5期167-175,共9页
目的研究Si元素含量对316L不锈钢激光熔覆层凝固行为和显微组织的影响。方法利用LDF400-2000光纤耦合半导体激光器和ABB机械手组成的激光熔覆系统,在316L不锈钢基体上制备Si元素的质量分数分别为0.8%、1.6%的316L激光熔覆层。使用金相... 目的研究Si元素含量对316L不锈钢激光熔覆层凝固行为和显微组织的影响。方法利用LDF400-2000光纤耦合半导体激光器和ABB机械手组成的激光熔覆系统,在316L不锈钢基体上制备Si元素的质量分数分别为0.8%、1.6%的316L激光熔覆层。使用金相显微镜、扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、透射电镜(TEM)和维氏硬度计,分别从激光束扫描方向(SD)和切向(TD)分析熔覆层的微观组织、晶粒取向、织构和显微硬度。结果在SD方向,0.8%-Si熔覆层的中下部晶粒呈垂直于底部界面的柱状生长趋势,而顶部晶粒则呈胞状,1.6%-Si熔覆层晶粒的生长模式与0.8%-Si熔覆层类似,但取向更随机。在TD方向,0.8%-Si熔覆层晶粒呈外延状,取向为<100>方向,而1.6%-Si熔覆层则为<111>方向。与0.8%-Si熔覆层相比,1.6%-Si熔覆层内小角度晶界占比更高,超过了50%,在晶粒内部可见被位错缠绕的亚微米颗粒,其硬度也从0.8%-Si熔覆层的199.7HV0.3提升到212.2HV0.3。结论Si元素的含量对激光熔覆316L凝固行为和组织有着显著影响,改变了熔覆层的凝固模式,使组织结构由粗大外延生长的树枝晶转变为沿温度梯度方向生长的细小晶粒。 展开更多
关键词 激光熔覆 SI元素 316L 凝固组织 晶粒细化
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WC粒度配比对316L激光熔覆层耐磨/抗冲击性能的影响 被引量：1
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作者 董刚 王敏捷 +6 位作者 古青 包海斌 王永强 冯敏敏 迟一鸣 张群莉 姚建华 《表面技术》 北大核心 2025年第1期205-217,共13页
目的通过调控熔覆层的凝固组织,在提升316L激光熔覆层耐磨性的同时,减小添加WC颗粒对冲击韧性的削弱。方法将316L粉末与WC颗粒球磨混合,采用激光熔覆技术,在316L钢基体表面制备3种质量分数为30%的不同WC粒度(75~150μm颗粒的WC(L)组,25... 目的通过调控熔覆层的凝固组织,在提升316L激光熔覆层耐磨性的同时,减小添加WC颗粒对冲击韧性的削弱。方法将316L粉末与WC颗粒球磨混合,采用激光熔覆技术,在316L钢基体表面制备3种质量分数为30%的不同WC粒度(75~150μm颗粒的WC(L)组,25~45μm颗粒的WC(S)组,混合粗细粒度颗粒的WC(L/S)组)增强的合金复合涂层。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪等对复合涂层的微观组织和物相进行分析,并使用摩擦磨损试验机和冲击韧性试验机测试室温下的摩擦磨损和冲击韧性。结果混合粒度WC颗粒在316L熔覆层中的使用能有效减少大粒径WC颗粒在凝固过程中的沉降现象,提升了颗粒分布均匀性,平均自由粒子间距离(λ)从WC(L)组的230μm减至WC(L/S)组的160μm,降低了30.43%。根据电子背散射衍射(EBSD)结果可知,WC颗粒及其分解产物在凝固过程中能够阻碍晶粒长大,并提供非均质形核点,从而细化晶粒。熔覆层的摩擦磨损性能随着WC颗粒粒度的变化而变化,WC(L/S)组熔覆层的磨损体积仅为无WC组的3.33%,WC(L)组体积损失率的76.60%,WC(S)组体积损失率的73.02%。混合粒度WC的使用降低了WC颗粒对熔覆层韧性的削弱,在相同质量分数下,WC(L/S)组熔覆层的冲击功分别为WC(L)组的104.86%,为WC(S)组的117.97%。结论在使用微米尺寸WC颗粒且质量分数均为30%时,WC颗粒的粒度配比对熔覆层的摩擦磨损性能和冲击韧性均有显著影响,其中粗、细混合的粒度配比是一种较好的选择。 展开更多
关键词 激光熔覆 316L 碳化钨 粒度 耐磨性能 冲击韧性
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超音速激光沉积增材制造CNTs/Cu复合材料微观结构及力学性能研究 被引量：2
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作者 李波 王豪 +4 位作者 蒋超伟 罗准 张群莉 刘蓉 姚建华 《精密成形工程》 北大核心 2023年第11期89-99,共11页
目的研究超音速激光沉积增材制造CNTs/Cu复合材料的微观结构及力学性能。方法对CNTs进行表面镀铜处理,提高它与Cu黏接相之间的润湿性,增强CNTs/Cu之间的界面结合,利用超音速激光沉积技术(Supersonic Laser Deposition,SLD)增材制备不同C... 目的研究超音速激光沉积增材制造CNTs/Cu复合材料的微观结构及力学性能。方法对CNTs进行表面镀铜处理,提高它与Cu黏接相之间的润湿性,增强CNTs/Cu之间的界面结合,利用超音速激光沉积技术(Supersonic Laser Deposition,SLD)增材制备不同CNTs含量的CNTs/Cu复合材料,对比研究了CNTs含量和退火温度对CNTs/Cu复合材料微观结构及力学性能的影响规律,并采用能谱仪对拉伸断口微区进行元素分析测定。结果SLD制备的CNTs/Cu复合材料具有优异的塑性变形能力,而强度较高的CNTs通过嵌入铜粉颗粒之间的缝隙提升了沉积质量。对复合材料微观组织进行表征发现组织无明显孔隙、致密性良好,且无烧蚀现象。CNTs的加入有效提高了CNTs/Cu复合材料的抗拉性能,并且随着CNTs含量的上升,CNTs/Cu复合材料的极限抗拉强度(Ultimate Tensile Strength,UTS)稳步上升;当CNTs质量分数为0.3%时,CNTs/Cu复合材料的UTS为36.33MPa,是CNTs质量分数为0.05%时的1.35倍。随着退火温度的升高,CNTs/Cu复合材料的UTS表现为先增大后减小的趋势,在500℃时UTS达到最大值。结论由于激光加热软化的效果与表面镀铜的包覆作用,CNTs能够均匀地分布在CNTs/Cu复合材料内部,同时明显增强复合材料内部颗粒的界面结合强度,后续的热处理有助于使材料从不稳定的机械结合逐步转换为冶金结合,显著提高复合材料的抗拉性能。 展开更多
关键词 CNTS 超音速激光沉积 CNTs/Cu涂层 微观结构 力学性能
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激光再制造技术与应用发展研究 被引量：27
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作者 姚喆赫 姚建华 向巧 《中国工程科学》 CSCD 北大核心 2020年第3期63-70,共8页
激光再制造技术作为制造技术创新的前沿领域,深刻改变着高端装备的设计与运行方式,是绿色再制造的重要支撑技术,是促进制造产业可持续发展的重要力量。本文从激光再制造技术的宏观需求入手,梳理了激光再制造技术的发展及应用现状,凝练... 激光再制造技术作为制造技术创新的前沿领域,深刻改变着高端装备的设计与运行方式,是绿色再制造的重要支撑技术,是促进制造产业可持续发展的重要力量。本文从激光再制造技术的宏观需求入手,梳理了激光再制造技术的发展及应用现状,凝练了激光再制造技术和产业在发展过程中面临的挑战,进而提出了面向2025年、2035年以及2050年的分阶段发展目标。针对当前我国激光再制造技术在专用材料、核心器件、再制造理念与标准体系等方面存在的问题与挑战,研究提出:加强战略层面的积极引导;构建激光增材再制造材料基因组体系;完善标准化体系和高层次应用型人才培养体系;加大应用推广力度,引导行业整合;建立合作平台,加快关键共性技术创新发展,为激光再制造技术及其产业发展提供支撑。 展开更多
关键词 激光再制造 多能场 现场再制造 全生命周期
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激光增材再制造IN939修复区显微组织与拉伸性能研究 被引量：14
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作者 夏国俊 姚喆赫 +3 位作者 陈健 张群莉 Liu Rong 姚建华 《表面技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第2期277-286,共10页
目的研究采用IN939粉材对镍基高温部件增材修复的可行性,获得增材修复区微观组织与性能分布规律,为燃机部件修复提供支持。方法探索了IN939合金激光熔覆成形工艺,并进一步开展了IN939增材修复镍基合金梯形槽试验研究,分析了增材修复区... 目的研究采用IN939粉材对镍基高温部件增材修复的可行性,获得增材修复区微观组织与性能分布规律,为燃机部件修复提供支持。方法探索了IN939合金激光熔覆成形工艺,并进一步开展了IN939增材修复镍基合金梯形槽试验研究,分析了增材修复区显微组织结构与物相组成,研究了激光再制造过程组织变化对修复区显微硬度、拉伸性能的影响。结果IN939激光修复区形貌良好,组织致密,无明显裂纹、气孔等缺陷。熔覆层主要存在γ奥氏体相和Laves相。IN939修复区由底部至顶部,冷却速率逐渐减小,导致一次枝晶间距逐渐增大,Laves相分布先增多后略有减小。修复区界面处的平均横向残余拉应力为346 MPa。修复区显微硬度由底部至顶部呈现先增大后略有减小的趋势,修复区的平均显微硬度强于基体。修复件的平均屈服强度为548 MPa,极限抗拉强度为959 MPa。激光修复件的拉伸断裂于基体上,显示出IN939合金与基体良好的冶金结合。结论激光增材修复后,IN939镍基合金修复区的机械性能与结合性能良好,采用IN939粉材进行镍基高温合金的激光增材修复具备可行性。 展开更多
关键词 激光增材再制造 高温合金 LAVES相 拉伸性能
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热处理对超音速激光沉积CNTs/Cu复合材料微观结构及导热/导电性能的影响
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作者 李波 姜家涛 +7 位作者 邓家科 李镐成 罗准 耿在明 张盼盼 刘少武 张群莉 姚建华 《表面技术》 北大核心 2025年第17期162-173,共12页
目的提高超音速激光沉积Cu基复合材料的导热/导电性能。方法利用超音速激光沉积技术制备不同CNTs含量的CNTs/Cu复合材料,采用不同的退火温度对所制备的复合材料进行热处理,采用扫描电子显微镜、激光导热仪等研究热处理对CNTs/Cu复合材... 目的提高超音速激光沉积Cu基复合材料的导热/导电性能。方法利用超音速激光沉积技术制备不同CNTs含量的CNTs/Cu复合材料,采用不同的退火温度对所制备的复合材料进行热处理,采用扫描电子显微镜、激光导热仪等研究热处理对CNTs/Cu复合材料微观结构及导热/导电性能影响。结果600W激光辅助制备的SLD-CNTs/Cu复合材料具有较好的界面结合和表面形貌。在相同的后续热处理温度(600℃)下,随着CNTs含量的增加,复合材料的热导率先升后降,电导率单调递减。0.1%CNTs/Cu复合材料经过600℃退火处理时的热导率可达289.568W/(m·K),约为常温下的2.43倍。0.05%CNTs/Cu复合材料在500℃退火处理后电导率达到最大(47.7 MS/m),是常温(25℃)电导率的2.29倍。结论随着退火温度的上升,复合材料发生回复再结晶,消除了颗粒塑性变形导致的严重晶格畸变,有效弥合了Cu颗粒之间的界面,使得CNTs能与Cu基体充分接触,有利于导电/导热性能的提升。 展开更多
关键词 超音速激光沉积 CNTs/Cu复合材料 CNTs含量 微观特性 导热/导电性能
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