高端装备激光表面改性与再制造专栏 序言

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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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“能场复合激光表面改性”专题序言

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作者 姚建华 张群莉 姚喆赫 《表面技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第13期I0006-I0006,共1页

激光表面改性技术具有高柔性、高质量、环境友好、选择性高等优点,已广泛应用于航空、航天、轨道交通、能源动力、冶金石化等领域。但由于激光表面改性具有高温快速冶金的特点,易产生气孔、夹杂、裂纹等缺陷及较高残余应力。改变激光工... 激光表面改性技术具有高柔性、高质量、环境友好、选择性高等优点,已广泛应用于航空、航天、轨道交通、能源动力、冶金石化等领域。但由于激光表面改性具有高温快速冶金的特点,易产生气孔、夹杂、裂纹等缺陷及较高残余应力。改变激光工艺参数等调控手段仅能改变熔池的外部传热边界,无法调控熔池内部流体的运动,难以对微观组织及其缺陷进行灵活而有效的控制。能场复合激光表面改性综合了激光及其他能场的优势,已成为激光表面改性技术的重要发展趋势之一。 展开更多

关键词 激光表面改性 能源动力 调控手段 激光工艺参数 轨道交通 高柔性 重要发展趋势 残余应力

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多维高频振动对激光熔覆成形几何形貌的影响研究 被引量：3

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作者 俞晓文 姚喆赫 +3 位作者 张操棋 邢飞 姚建华 聂艳斌 《表面技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第10期286-293,315,共9页

目的面向激光表面改性及再制造发展需求,针对激光熔覆过程控形问题,揭示多维振动对激光熔覆涂层几何形貌及多道搭接成形质量的作用机制。方法开展多维振动辅助激光熔覆成形316L涂层实验研究,对单道及多道激光熔覆层横截面形貌进行分析... 目的面向激光表面改性及再制造发展需求,针对激光熔覆过程控形问题,揭示多维振动对激光熔覆涂层几何形貌及多道搭接成形质量的作用机制。方法开展多维振动辅助激光熔覆成形316L涂层实验研究,对单道及多道激光熔覆层横截面形貌进行分析。采用多物理场有限元分析软件,建立多维振动辅助激光熔覆成形模型,并分析熔覆层表层温度梯度。结果数值模拟表明,施加二维振动后,熔池表面流速提高了31.00%,表面流速的提高促进了熔池向外扩展,最高温度梯度减小39.08%,熔覆层横截面几何形貌因温度和流速的变化发生了明显改变。实验结果表明,相比于无振动作用,在一维、二维、三维振动作用下,熔高分别减小了18.97、33.94、44.50μm,熔宽分别增加了27.70、36.90、63.34μm,润湿角最高降低了23.42%。在多道搭接过程中,润湿角增大到某一阈值时,部分搭接区域因吸收激光能量不足而使该处不发生熔化,粉末熔化后难以完全填充角落,致使激光多道熔覆时的熔覆层底部产生气孔,成形质量降低。施加多维振动通过降低润湿角,可以减小多道熔覆中的气孔发生率。结论多维振动通过影响温度梯度有效改善了熔覆层的润湿性,减少了熔覆层气孔的发生率,提高了熔覆层的成形质量。 展开更多

关键词 激光熔覆 多维振动 几何形貌 润湿角 气孔 数值模拟

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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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基于扫描振镜的激光淬火温度特性模拟与实验研究 被引量：5

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作者 陈凯烨 王晔 +3 位作者 吴国龙 王淼 张群莉 姚建华 《表面技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第5期251-258,共8页

目的与传统激光淬火(CLQ)进行对比研究,获得使用飞行光路的振镜扫描式激光淬火(GLQ)的温度变化特性和规律。方法使用两种淬火方式对45钢进行表面处理,将组织形貌和硬度分布进行比较,并结合数值模拟,研究两种激光淬火方式的温度变化特性... 目的与传统激光淬火(CLQ)进行对比研究,获得使用飞行光路的振镜扫描式激光淬火(GLQ)的温度变化特性和规律。方法使用两种淬火方式对45钢进行表面处理,将组织形貌和硬度分布进行比较,并结合数值模拟,研究两种激光淬火方式的温度变化特性和规律。结果在相同的总能量输入、扫描区域和扫描时间下,两种淬火方式硬化层横截面形貌呈现巨大差异:CLQ试样硬化层深度为753.66μm,宽度为3787.21μm,横截面形貌为"月牙形";GLQ试样硬化层深度为256.61μm,宽度为5808.77μm,形貌为"均匀性更好的近似月牙形"。截面硬度分布相似:均为中间主体区域高(GLQ试样硬度810~900HV,CLQ试样硬度790~830HV),两侧边缘区域低(均约为760HV)。模拟结果表明,CLQ试样特征点激光辐照时长共1.25 s,温度从508℃变为1063℃,奥氏体相变时间为1.17 s;GLQ试样特征点激光辐照时长共0.628 s,温度从500℃变成718℃,其波峰温度奥氏体相变时间为0.38 s,波谷温度均保持在马氏体转变温度以上。沿激光扫描方向,GLQ的温度变化率比CLQ大1个数量级;垂直激光扫描方向,GLQ温度变化率比CLQ大2个数量级。结论GLQ具有温度变化率更大、升降温多次循环、热处理相变时间更短、热积累更小等特点,有望在薄层大面积淬火上获得应用。 展开更多

关键词 激光淬火 振镜扫描 温度场 数值模拟 相变 45钢

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分区尺寸对选区激光熔化成形316L表面结构的影响 被引量：4

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作者 杨高林 朱兆恒 +5 位作者 李梓杉 李贺杰 吴国龙 张群莉 王梁 姚建华 《中国表面工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期74-86,共13页

分区扫描策略对选区激光熔化成形件的表面质量有重要影响,而目前分区尺寸对成形件表面结构的影响规律尚不清晰。为进一步提高选区激光熔化成形带支撑悬垂结构的表面质量及尺寸精度,以带支撑方形悬垂结构为研究对象,结合数值模拟与成形... 分区扫描策略对选区激光熔化成形件的表面质量有重要影响,而目前分区尺寸对成形件表面结构的影响规律尚不清晰。为进一步提高选区激光熔化成形带支撑悬垂结构的表面质量及尺寸精度,以带支撑方形悬垂结构为研究对象,结合数值模拟与成形试验从表面原始轮廓的形状误差、波纹度与表面粗糙度三个不同波距的表面结构进行研究。研究结果表明:随着分区尺寸的减小,成形件表面边缘的翘曲高度逐渐降低,但相邻分区之间的轮廓起伏程度逐渐增加,成形件截面轮廓的形状误差与表面粗糙度得到改善,波纹度呈现出增大趋势,使成形表面形貌呈先改善后降低趋势。形状误差、波纹度与表面粗糙度随分区尺寸的减小变化趋势并不一致,分区尺寸过小会导致热累积现象明显,波纹度增加。在减小分区尺寸的同时适当降低激光能量输入,能有效改善表面形貌。为提高SLM成形带支撑悬垂结构的尺寸精度和表面形貌提供了理论基础。 展开更多

关键词 选区激光熔化 分区尺寸 形状误差 波纹度 表面粗糙度

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机翼蒙皮铺层顺序和材料布局协同优化 被引量：5

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作者 彭翔 江浩浩 +3 位作者 郭玉良 李吉泉 易兵 姜少飞 《中国机械工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第12期1415-1424,1435,共11页

为了实现机翼蒙皮的轻量化和减振设计,将混杂复合材料引入到机翼蒙皮中,提出了机翼蒙皮铺层顺序和材料布局协同优化设计方法。将机翼蒙皮的铺层顺序和材料布局作为优化设计变量,建立了以成本为约束,蒙皮质量和位移最小化、频率最大化为... 为了实现机翼蒙皮的轻量化和减振设计,将混杂复合材料引入到机翼蒙皮中,提出了机翼蒙皮铺层顺序和材料布局协同优化设计方法。将机翼蒙皮的铺层顺序和材料布局作为优化设计变量,建立了以成本为约束,蒙皮质量和位移最小化、频率最大化为目标的协同优化模型,利用搭建的通用化机翼蒙皮优化设计框架,使用非支配排序遗传算法-Ⅱ(NSGA-Ⅱ)实现了蒙皮内部结构的优化设计。与铝合金机翼蒙皮、初始结构方案蒙皮的性能对比表明,协同优化后的机翼蒙皮结构在不增加成本的条件下,综合性能显著提高,验证了方法的有效性。 展开更多

关键词 混杂复合材料 多目标优化 机翼蒙皮 非支配排序遗传算法

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铺粉厚度对选区激光熔化316L沉积层致密度与表面形貌的影响 被引量：2

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作者 张杰 杨高林 +2 位作者 徐侠 姚建华 Volodymyr Kovalenko 《表面技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第3期286-295,共10页

目的 为了解决选区激光熔化增材再制造时出现的首层铺粉粉层厚度不均的问题,研究首层粉层厚度为400μm时选区激光熔化成形工艺。方法 采用倾斜基板预置楔形粉层,在粉层上进行不同激光功率的激光扫描实验,研究楔形粉层对沉积的影响规律... 目的 为了解决选区激光熔化增材再制造时出现的首层铺粉粉层厚度不均的问题,研究首层粉层厚度为400μm时选区激光熔化成形工艺。方法 采用倾斜基板预置楔形粉层,在粉层上进行不同激光功率的激光扫描实验,研究楔形粉层对沉积的影响规律。然后在水平放置的基板上分别预置50、100、200、300、400μm厚度粉层,在粉层上进行激光扫描实验,研究粉层厚度对沉积的影响规律。最后做首层400μm层厚,后续5层每层50μm的多层沉积实验,研究厚粉层对后续SLM成形的影响规律。结果 在倾斜上表面采用选区激光熔化技术进行修复,铺粉厚度的增加会导致沉积层致密度变差且表面起伏增大。通过提高激光能量密度的方式,采用300 W、800 mm/s的工艺参数在400μm大层厚下激光扫描,可改善沉积层与基板的结合情况并减小沉积层上表面的起伏轮廓,同时该参数也能在小层厚时得到致密的沉积层。在首层400μm层厚的基础上进行SLM成形时,需用首层沉积的工艺沉积5层作为过渡区,后续可按正常的SLM成形工艺进行沉积。结论 用SLM技术进行零件修复时,虽然首层会出现厚度不均的楔形粉层。当粉层最厚区域不超过400μm时,需提高激光功率密度进行沉积。在高功率密度参数下沉积5层后可以采用正常SLM工艺进行后续成形。 展开更多

关键词 选区激光熔化 修复 沉积层 致密度 表面形貌

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316L水平悬垂结构初始层选区激光熔化成形形貌研究

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作者 李梓杉 杨高林 +1 位作者 董刚 姚建华 《表面技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期379-387,437,共10页

目的针对选区激光熔化成形带较薄水平悬垂结构零件时表面形貌较差的问题,研究支撑间隔、支撑形式以及能量输入的大小对支撑上方悬垂结构初始层形貌的影响。方法利用选区熔化技术制备带支撑的316L水平悬垂结构初始层成形试样,通过截面金... 目的针对选区激光熔化成形带较薄水平悬垂结构零件时表面形貌较差的问题,研究支撑间隔、支撑形式以及能量输入的大小对支撑上方悬垂结构初始层形貌的影响。方法利用选区熔化技术制备带支撑的316L水平悬垂结构初始层成形试样,通过截面金相分析和表面形貌数据分析,探究初始层熔融金属在冷却凝固前形貌的影响因素,以及变化过程机制。结果随着支撑间隔从2.5 mm减小至0.714 mm,激光能量输入由0.083 W·s/mm增加至0.25 W·s/mm,悬垂结构初始层的孔隙逐渐减少,最低孔隙率为6.549%。表面凸起球化最大高度由523.454μm降低至最小267.951μm,成形表面更为平整。相同排布方式下,线形连续支撑成形试样的孔隙更少。结论支撑间隔影响相邻支撑间受激光扫描熔融形成的熔融金属量,激光能量输入的大小将影响相同散热速率下熔融金属所需的凝固时间。受到扰动而破裂的熔融金属薄膜在表面张力作用下,将不断向与支撑结构连接处汇聚球化,初始层形貌不断偏离初始的平整薄层状态。使用十字交叉排布方式支撑间隔在1 mm以下的线形连续支撑,可以有效减少SLM成形水平悬垂结构初始层的孔隙数量,并提高初始层形貌的平整程度。 展开更多

关键词 选区激光熔化 支撑 水平悬垂结构初始层 连接质量 形貌 孔隙率

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激光送丝熔覆过程液桥过渡行为及其实验研究

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作者 应蒋杰 陈健 +3 位作者 姚喆赫 王发博 陈雅伦 姚建华 《高技术通讯》 CAS 2023年第6期661-668,共8页

激光送丝熔覆在工艺敏感性与稳定性方面存在挑战,亟需深入理解激光送丝熔覆过程的液桥过渡行为。本文在液桥过渡机制分析的基础上,建立了激光功率、送丝速度、扫描速度及光丝间距等工艺参数的相互关系;搭建了可精密调控光丝间距的激光... 激光送丝熔覆在工艺敏感性与稳定性方面存在挑战,亟需深入理解激光送丝熔覆过程的液桥过渡行为。本文在液桥过渡机制分析的基础上,建立了激光功率、送丝速度、扫描速度及光丝间距等工艺参数的相互关系;搭建了可精密调控光丝间距的激光送丝熔覆实验装置;采用减光摄像对激光送丝熔覆工艺过程进行了图像采集,分析了丝材在激光热源作用下的熔化与过渡成形机理,揭示了液桥过渡、液滴过渡和非接触过渡3种不同过渡形式下的送丝熔覆成形机制,分析了送丝熔覆成形件宏观和微观形貌;为零部件的送丝增材制造和受损零部件的送丝增材修复过程提供了理论支撑。 展开更多

关键词 激光送丝熔覆 光丝间距 液桥过渡 过渡成形机理

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聚醚酮酮材料个性化人工颅骨植入体热压成型工艺仿真及实验

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作者 游嘉 张青青 +4 位作者 程康杰 徐略乾 姜献峰 MSH Al-Furjan 刘云峰 《高技术通讯》 北大核心 2024年第12期1297-1306,共10页

创伤、肿瘤切除等引起的成人颅骨缺损高发,临床上对个性化人工颅骨植入体有较大的需求,而钛合金等金属材料人工颅骨植入体存在热学、力学性能与骨不匹配等诸多弊端,聚醚酮酮(PEKK)材料具有与人体骨组织相近的热学和力学性能,以及优异的... 创伤、肿瘤切除等引起的成人颅骨缺损高发,临床上对个性化人工颅骨植入体有较大的需求,而钛合金等金属材料人工颅骨植入体存在热学、力学性能与骨不匹配等诸多弊端,聚醚酮酮(PEKK)材料具有与人体骨组织相近的热学和力学性能,以及优异的耐磨性、稳定的物理化学性能和良好的生物相容性,用于颅骨植入体非常适合。本文基于拉伸实验数据,构建了PEKK的Johnson-Cook本构模型,并通过PEKK人工颅骨的热压成型有限元仿真,模拟了不同成型温度和压边力下的成型过程,获得了最佳热压成型工艺参数,最后通过PEKK热压成型实验验证了个性化人工颅骨植入体成型工艺的效果。 展开更多

关键词 个性化人工颅骨植入体 热压成型 聚醚酮酮(PEKK) Johnson-Cook本构模型

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基于运动特征参数提取的下颌骨功能运动解析与验证

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作者 柯思鹏 程康杰 +1 位作者 MSH Al-Furjan 刘云峰 《高技术通讯》 CAS 北大核心 2024年第9期980-987,共8页

人体下颌骨由于肿瘤、创伤、先天发育畸形等原因而施行整复手术后,下颌骨形态和关节形态必然会存在一定程度的改变,不仅会影响颌面部的形貌,还会对下颌运动模式造成改变。而下颌骨作为承载颌面部运动的刚体构件,其运动模式的改变可能导... 人体下颌骨由于肿瘤、创伤、先天发育畸形等原因而施行整复手术后,下颌骨形态和关节形态必然会存在一定程度的改变,不仅会影响颌面部的形貌,还会对下颌运动模式造成改变。而下颌骨作为承载颌面部运动的刚体构件,其运动模式的改变可能导致开口度减小、前伸运动不对称等运动问题,严重者甚至会产生颞下颌关节弹响、强直等关节疾病,对语言、咀嚼等功能造成阻碍。目前下颌运动主要通过电子面弓等设备仪器进行采集分析,存在价格昂贵、操作复杂等问题。针对这一问题,利用曲率分析和微分几何原理,对基于电子计算机断层扫描(CT)图像重建的下颌骨三维模型关节窝进行曲率分析,获得功能运动的特征参数并构建运动矩阵;然后通过运动仿真、机器人夹持仿真下颌骨模拟运动实验和志愿者视觉采集进行对比实验验证。结果表明,基于曲率分析获得运动特征参数,并拟合下颌运动矩阵,其最大误差为0.45 mm,可以有效还原真实的下颌功能运动。研究结果为临床上经济便捷地诊治下颌运动疾病和颞下颌关节紊乱提供了理论基础。 展开更多

关键词 曲率分析 下颌运动 三维功能运动解析 有限元仿真

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