激光改性再制造技术

　　本书以作者团队长期的科研成果为基础，系统阐述了同轴送粉喷嘴的气体流场和粉末流场，喷嘴气流速率、喷嘴距工件表面距离、工件位置、侧风速度（喷嘴移动速度）对喷嘴气体保护效果的影响，喷嘴结构（粉末通道锥角、粉末通道出口宽度）参数和送粉参数（送粉量、气流速度）对粉末浓度分布的影响；阐述了激光熔覆定向凝固理论与工艺；阐述了激光梯度改性去应力技术。本书为激光改性再制造技术在航空乃至民用原位修理领域的应用做出理论和实践探索。 本书对于从事激光加工技术应用和研究、材料加工成形、工程维修等领域的工程技术人员及高等院校师生有较强的参考价值。

　　崔爱永（1981-），博士。致力于先进制造与维修技术研究。近年来，发表论文30余篇，其中SCI收录5篇，EI收录7篇，中文核心20余篇，发表在《中国激光》的论文“钛合金表面激光熔覆（Ti+Al/Ni）/（Cr2O3+CeO2）复合涂层组织与耐磨性能”被评选为2012年度F5000论文。主持科研项目5项。 胡芳友（1960-），教授，博士生导师。航空维修领域专家，中国航空学会委员、全国激光修复技术标准化技术委员会委员、中国机械工程学会热处理分会高能密度热处理技术委员会委员。中国海洋大学、集美大学、辽宁工业大学等多所高校的客座教授。近5年，发表论文50余篇，其中SCI收录7篇，EI收录19篇，中文核心27篇，出版《海军飞机损伤抢修手册》等专著3部。4项发明和实用新型专利获授权。主持科研项目30余项，获军队科技进步奖3项。

上篇加工设备篇——激光同轴喷嘴
第1章绪论2
1.1激光再制造技术2
1.2送粉方式3
1.2.1侧向送粉3
1.2.2同轴送粉4
1.3同轴送粉喷嘴5
1.4喷嘴气体流场6
1.5喷嘴粉末流场9
参考文献11
第2章喷嘴气体保护范围13
2.1温度场13
2.1.1物理模型14
2.1.2热传导方程15
2.1.3初始条件和边界条件15
2.1.4激光热源16
2.1.5相变潜热17
2.1.6材料的热物性参数18
2.1.7表面吸收系数19
2.1.8有限元模型19
2.1.9结果分析20
2.2保护范围21
2.2.1激光功率对保护范围的影响22
2.2.2扫描速度对保护范围的影响23
2.2.3保护范围24
参考文献24
第3章喷嘴流场实测方法25
3.1喷嘴气流PIV实测25
3.1.1PIV测速基本原理25
3.1.2PIV系统27
3.1.3喷嘴气体流动系统29
3.1.4PIV测试方案29
3.1.5实测结果30
3.2喷嘴气流烟雾流动显示33
3.2.1气体流动系统34
3.2.2流动显示系统34
3.2.3侧吹气流系统34
3.2.4烟雾流动显示方法35
3.2.5实测结果36
3.3喷嘴粉末流动37
3.3.1粉末浓度分析原理38
3.3.2实测结果38
参考文献39
第4章喷嘴气体流场40
4.1紊流模型40
4.2控制方程41
4.2.1标准k-ε模型41
4.2.2RNG k-ε模型42
4.3计算区域及边界条件43
4.3.1同轴射流及同轴冲击射流43
4.3.2工件边缘和侧风44
4.3.3壁面边界45
4.4网格划分及数值解法45
4.4.1网格划分45
4.4.2数值解法46
4.5计算模型验证46
4.5.1同轴射流46
4.5.2同轴冲击射流48
4.5.3误差原因分析51
4.6喷嘴气体流动特征51
4.6.1同轴射流51
4.6.2同轴冲击射流53
4.7气流速度变化对流场稳定性的影响54
4.8工艺参数对喷嘴气体保护性能的影响55
4.8.1喷嘴气流速度56
4.8.2喷嘴距工件表面距离56
4.8.3工件位置57
4.8.4侧向气流和喷嘴移动58
参考文献59
第5章喷嘴粉末流场60
5.1气固两相流模型60
5.2粉末流模型61
5.3气固两相流场求解62
5.3.1气相流场的求解62
5.3.2粉末颗粒受力分析63
5.3.3粉末颗粒的紊流扩散64
5.3.4气相和颗粒相的相互作用65
5.4金属粉末颗粒特性66
5.5边界条件及网格划分68
5.5.1气体-粉末流的边界条件68
5.5.2网格划分68
5.5.3Fluent软件中的假设69
5.6粉末流场计算模型验证69
5.7喷嘴结构参数对粉末流参数的影响72
5.7.1粉末通道锥角73
5.7.2粉末通道出口宽度74
5.8送粉参数对粉末流参数的影响75
5.8.1送粉量75
5.8.2载气速度76
5.8.3喷嘴中心及外环气流速度77
5.9工件形状对粉末流的影响78
参考文献80

中篇改性修理篇——激光梯度去应力改性修理技术
第6章绪论82
6.1FGM的概念83
6.2FGL的设计85
6.3FGL的制备86
6.4FGL的性能评价87
6.5FGL的应用前景和存在的问题87
参考文献88
第7章FGL物系及结构优化设计89
7.1FGL物系设计89
7.2FGL结构优化设计91
7.2.1成分分布及几何模型92
7.2.2物性参数93
7.2.3有限元模型94
7.2.4初始条件和边界条件94
7.2.5模拟结果分析96
参考文献99
第8章FGL激光直接制备100
8.1工艺参数设计100
8.2工艺参数对单道单层质量的影响102
8.3工艺参数对单道多层质量的影响103
8.4工艺参数对多道单层质量的影响103
8.5工艺参数对多道多层质量的影响105
8.6FGL的制备105
参考文献107
第9章FGL组织和相结构108
9.1微观组织108
9.1.1FGL单道单层截面形貌108
9.1.2FGL微观组织110
9.1.3凝固过程和晶体结构对增强体TiC生长形态的影响113
9.2生成相114
参考文献116
第10章FGL性能评价117
10.1力学性能测试117
10.2常温耐磨性能测试118
10.2.1强化机制119
10.2.2摩擦磨损机制120
10.3常温腐蚀测试122
10.3.1EXCO溶液全浸实验122
10.3.2在海水溶液中的电化学行为123
10.4高温腐蚀性能测试129
10.4.1高温腐蚀动力学129
10.4.2XRD相结构分析131
10.4.3FGL和Ti600基体腐蚀产物显微结构分析133
10.4.4高温腐蚀机理分析134
10.5高温氧化性能测试140
10.5.1恒温氧化动力学140
10.5.2XRD相结构分析143
10.5.3FGL和Ti600基体氧化层显微结构分析145
10.5.4高温氧化机理分析146
10.6抗热震、热疲劳测试152
参考文献155

下篇控性修理篇——激光定向凝固控性修理技术
第11章绪论158
11.1定向凝固的晶体学原理159
11.2定向凝固界面形态160
11.3定向凝固合金的微观组织及形成机理163
11.4晶粒定向生长理论计算164
11.5快速定向凝固技术165
参考文献167
第12章定向凝固熔覆层柱状晶几何参数的影响因素169
12.1扫描速度对柱状晶几何参数的影响170
12.1.1影响规律170
12.1.2关联分析170
12.2电流对柱状晶几何参数的影响175
12.2.1影响规律175
12.2.2关联分析176
12.3脉宽对柱状晶几何参数的影响177
12.3.1影响规律177
12.3.2关联分析177
12.4频率对柱状晶几何参数的影响178
12.4.1影响规律178
12.4.2关联分析178
12.5定向凝固边界条件180
12.5.1激光功率密度180
12.5.2搭接率182
参考文献183
第13章熔覆层组织和结晶取向185
13.1横向显微组织185
13.2纵向显微组织186
13.3三维立体成型187
第14章基材结晶方向的影响189
14.1非择优取向189
14.2非定向凝固基材190
第15章合金元素对熔覆层柱状晶组织的影响192
15.1Mo对柱状晶组织的影响192
15.2Al对柱状晶组织的影响194
15.3Fe对柱状晶组织的影响195
15.4Ti对柱状晶组织的影响196
15.5W对柱状晶组织的影响198
15.6关联分析200