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激光加工及增材制造技术专栏
郑宏宇

材料保护技术不仅可以延长材料使用寿命,减少材料浪费,提高资源利用效率,还可以提高产品的可靠性和性能,推动社会经济发展,广泛应用于机械制造、航空航天、海洋工程等各个领域。 激光加工及增材制造正在成为材料保护领域越来越重要的技术。 通过激光加工,可以对材料表面进行精确的改性加工、修复和强化,从而延长材料的使用寿命以及提高材料的加工精度和效率;增材制造则可以制造出具有复杂形状及特殊性能和结构的零部件,从而提高产品的综合性能,并且大大缩短了产品的制造周期,提高了生产效率。 此外,激光加工及增材制造还可以在材料的表面处理和涂层方面发挥重要作用,提高材料的耐腐蚀性和耐磨性等。 因此,激光加工及增材制造技术在提高金属材料的耐腐蚀性以延长材料使用寿命方面,展现出了在材料防护和应用领域扩展的广阔前景。

为了进一步推动激光加工及增材制造技术在材料保护领域的发展和应用,《材料保护》特开辟“激光加工及增材制造技术”专栏,诚挚邀请了在激光加工、增材制造技术及材料防护领域有所成就的部分专家学者撰稿,重点推介我国在该领域的研究进展。 期待通过这个平台,与相关研究人员和企业从业人员分享最新的技术成果,探讨未来的发展前景,推动激光与增材制造领域的快速发展。 我们热忱邀请相关领域的专家学者继续赐稿交流,进一步推动该领域的高质量发展。

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  • 激光加工及增材制造技术专栏
    王宗申, 臧彤, 陈磊, 孔萌, 郑宏宇
    材料保护. 2023, 56(10): 17-24. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0232
    作为一种微尺度范围内的表面强化技术,飞秒激光冲击强化具有热影响小、冲击深度浅、能量利用率高、工艺灵活等特点,在实现复杂形状微结构表面改性、宏观尺度零件表面微造型、微冲击成形等方面应用优势显著。 概述了飞秒激光冲击强化技术的发展历程,总结了冲击模式、激光参数、附加能场等因素对强化效果的影响规律和机理,并对飞秒激光冲击强化技术的潜在应用及发展趋势进行了展望,以为突破飞秒激光冲击强化的关键问题、推动技术的产业化应用提供必要的指导与支持。
  • 激光加工及增材制造技术专栏
    谢颂京, 王梁, 姚建华
    材料保护. 2023, 56(10): 42-55. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0234
    激光抛光技术与传统抛光技术相比,具有非接触式加工、高效率、无污染等特点,其目的是提高加工工件的尺寸精度和几何形状精度,降低材料表面的粗糙度。 激光抛光伴随着传热传质、熔池内溶体流动、凝固等物理过程,由于熔池高温及瞬时演变的局限性,以数值模拟技术对熔池内部传热流动行为以及形貌演变进行仿真分析受到了国内外学者的广泛关注。 综述了激光抛光机理、激光抛光数值模拟中的热源、金属及非金属(如半导体、陶瓷等)材料抛光研究现状与进展,最后对激光抛光数值模拟的未来发展进行了展望。
  • 激光加工及增材制造技术专栏
    王洋, 范泽明, 焦力实, 王冰
    材料保护. 2023, 56(10): 1-16. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0231
    石墨烯独特的晶格结构使其具有十分优越的性能,然而零带隙一直制约着石墨烯的发展。 激光诱导石墨烯(Laser-induced graphene,LIG)技术能够显著增强石墨烯的性能,但该技术仍存在带隙小、电容位点少及片层堆叠等问题。 通过异质原子/纳米颗粒掺杂LIG 技术,可实现石墨烯的微观结构、表面化学活性及孔隙率的调控,从而提升LIG 复合材料的性能,为LIG 器件的研制及应用提供了新策略。 梳理了近年来LIG 的掺杂体系,分析了众多异质原子/纳米颗粒掺杂对LIG 结构及性能的影响;阐述了诸多LIG 掺杂方法的特点,讨论了掺杂LIG 器件在各相关领域的应用,为利用掺杂LIG 的特性和器件性能相结合,开发人工智能、能源存储与转换、健康检测应用器件提供了研究思路;最后,对异质原子/纳米颗粒掺杂LIG 进行了总结,并对其发展前景进行了展望。
  • 激光加工及增材制造技术专栏
    宋骁睿, 李双建, 侯媛媛, 巴召文, 郑宏宇, 刘明明
    材料保护. 2023, 56(10): 25-41. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0233
    激光织构因其加工精度高、速率快、环境污染小等优点,在机械生产、精密医疗和材料表面改性等领域得到了广泛地应用。 近30 多年来,随着超快激光织构技术的出现,相关研究进入了蓬勃发展的阶段。 然而,由于其几何形貌种类多,排列组合方式多样,参数设计在不同材料的普适性差等问题仍阻碍激光织构减摩研究的发展。因此从几何形貌、尺寸参数、激光参数、润滑条件等方面,回顾了激光织构减摩研究的发展历程,讨论了激光织构的几何形貌、参数、工况条件等对摩擦学性能的影响,概括了不同润滑条件下激光织构的减摩机理,提出了激光织构技术目前存在的问题,并对其未来发展方向进行了展望。
  • 激光加工及增材制造技术专栏
    孙博洋, 刘明辉, 张士陶, 潘正阳, 蒋春霞, 李文戈, 刘彦伯, 赵远涛
    材料保护. 2023, 56(10): 56-66. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0235
    具有耐磨、耐腐蚀等优良性能的仿生涂层可应用于海洋、石油、化工等苛刻环境。 研究自然生物材料的仿生结构、仿生涂层的制备方法和质量调控方法,对于制备先进的仿生涂层具有重大意义。 从高能束熔覆技术制备仿生涂层、仿生涂层质量调控2 个方面,介绍了高能束熔覆技术制备仿生涂层的研究现状。 在高能束熔覆技术制备仿生涂层方面,根据不同仿生机制分类,综述了仿生涂层的强化机制以及利用高能束制备方式涂层的研究现状;在仿生涂层质量调控方面,阐述了制备过程中的工艺优化及数值模拟对调控高能束熔覆技术制备仿生涂层性能的作用;最后总结了目前研究中存在的不足,为后续研究提供了参考方向和展望。
  • 激光加工及增材制造技术专栏
    张志强, 李涵茜, 贺世伟, 路学成, 王浩, 张天刚
    材料保护. 2023, 56(10): 78-82. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0237
    为了明确铝合金增材制造过程中的微观组织特征,以飞机结构常用的2024 铝合金为研究对象,采用激光与CMT-P 电弧复合增材制造技术成功地制备了2024 高强铝合金薄壁构件。 运用光学显微镜、扫描电镜、电子探针等表征手段,研究了增材构件不同区域的微观组织特征,并探究了其对显微硬度的影响规律。 结果表明:增材制造过程中独特的热循环特性使得薄壁增材件由熔池边界(MPB, melt pool boundary)、熔池区(MPZ, melt pool zone)和热影响区(HAZ, heat affected zone)3 个特征区域交替出现的层带结构所形成。 其中,MPB 的显微组织为细小的等轴晶;MPZ 底部的显微组织为细小的柱状晶,上部为粗大的柱状晶和等轴晶;HAZ 的显微组织为粗大的等轴晶。 试样内部主要析出相为S 相(Al2CuMg)和θ 相(Al2Cu),S 相主要分布在晶界交叉部位和晶粒内部,θ 相主要分布在晶粒边界。 增材试样内部层间区域的显微硬度低于母材,主要归因于层间存在气孔以及晶界处存在较多的析出相。
  • 激光加工及增材制造技术专栏
    王泽林, 王冰, 宋海英, 刘世炳
    材料保护. 2023, 56(10): 67-73. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0236
    微坑阵列结构具有耐磨损、抗腐蚀、提高生物相容性与抗菌性等特点,应用十分广泛。 飞秒激光独特的超快加工效应使其在高质量微坑加工中独具优势。 应用随机森林回归(RFR)算法和人工神经网络(ANN)算法对飞秒激光加工的微坑阵列几何形状和质量进行了预测,分析了激光加工参数对微坑的直径、深度和表面粗糙度(Ra)的影响。 通过均方根误差、确定系数以及平均绝对误差对RFR 与ANN 2 种模型的预测能力进行了评估。 结果显示:ANN 模型的整体预测准确率相比RFR 略高一些,R2值为0.81,直径、深度、粗糙度预测的R2分别为0.67、0.79、0.85。 利用数据增强方法对数据集进行了扩增,ANN 模型的准确率进一步提高,整体R2为0.91,直径、深度、粗糙度预测的R2分别为0.81、0.91、0.95。 研究结果表明,ANN 模型在飞秒激光加工微坑阵列的预测中相比RFR具有更优异的预测性能,且随着数据量的增加,这种优势更加明显,也进一步验证了ANN 模型的潜力。