激光熔覆技术毕业设计(论文)

1. 引言

1.1 本课题的研究背景及意义

激光熔覆技术（Laser cladding technology）是指在被涂覆机体表面上，以不同的添料方式放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和机体表面薄层同时熔化，快速凝固后形成稀释度极低、与基体材料成冶金结合的涂层，从而显著改善机体材料表面耐磨、耐热、耐蚀、抗氧化等性能的工艺方法[1]。按涂层材料的添加方式不同，激光熔覆技术可分为预置法和同步送粉法，如图1所示。激光熔覆技术因具有应用灵活、耗能小，热输入量低、引起的热变形小，不需要后续加工或加工量小，减少公害等优点，近年来已在材料表面改性上受到高度重视[2]。特别是上个世纪80年代以来，该技术得到了很大进步和发展。激光熔覆的最终目的是改善材料的使用性能，使其更好地满足使用要求。与堆焊、热喷涂和等离子喷焊等表面改性技术相比，激光熔覆具有下述优点：（1）熔覆层晶粒细小，结构致密， 因而硬度一般较高， 耐磨、 耐蚀等性能亦更为优异；（2）熔覆层稀释率低,由于激光作用时间短，基材的熔化量小，对熔覆层的冲淡率低（一般仅为 5％-8%），因此可在熔覆层较薄的情况下获得所要求的成分与性能，节约昂贵的覆层材；（3）激光熔覆热影响区小，工件变形小，熔覆成品率高；（4）激光熔覆过程易实现自动化生产，覆层质量稳定，如在熔覆过程中熔覆厚度可实现连续调节，这在其他工艺中是难以实现的。由于激光熔覆的上述优点，它在航空、航天乃至民用产品工业领域中 都有较广阔的应用前景，已成为当今材料领域研究和开发的热点。

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图1.1 激光熔覆原理示意图

1.2 本课题国内外研究现状

激光熔覆技术的发展当然离不开激光器。目前，激光器主要有3种：CO2激光器、YAG固体激光器和准分子激光器。国内外常用于激光熔敷的激光器主要有两种：一种是输出功率为0.5-10KW的CO2气体激光器，另一种是输出功率为500W左右的YAG固体激光器。其中工业上用来进行表面改性的多为CO2大功率激光器。近年来，华中科技大学、中国科学院、清华大学、西北工业大学等国内多家单位在激光熔覆设备及过程控制方面做了许多研究工作，如华中科技大学激光加工国家工程研究中心已相继成功研制出500 - 10000W大功率CO2气体激光器、100-500W固体激光器等系列激光产品，中科院则开发出集成化激光智能加工系统，清华大学激光加工研究中心已研制出各种规格的同轴送粉喷嘴和自动送粉器等。在激光熔覆技术上，国内的研究主要表现在以下几个方面：1.激光熔覆同轴送粉器以及利用CCD红外检测激光熔覆温度场，如天津工业大学杨洗尘教授[3]；2.激光熔覆制备耐磨涂层[4]；3.激光熔覆工艺参数的研究；4.激光熔覆过程中添加某重金属元素对特定合金组织的影响[5]；5.扫描速度对熔覆层硬度和厚度的影响[6]；6.激光熔覆制备金属基复合涂层以提高机械性能[7]；7.Mg表面熔敷不同金属材料涂层的机械性能[8]；国外的研究状况：国外对激光熔覆技术的研究其实与上世纪80年代，比我国早十年左右，国外的研究主要集中在欧洲、北美和亚洲。欧洲的主要研究内容包括：1.对激光熔覆过程的基础研究与理解，如葡萄牙先进技术研究所和英国利物浦大学，如图2；2.激光熔覆制备金属基复合涂层以提高机械性能[9]；3.激光熔覆恢复零件和工具性能[10]；4.激光熔覆过程显微裂纹和残余

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应力分布[11]，如图3；5.激光熔覆涂层电化学性质[12]；6.Mg合金表面激光熔覆显微组织性能[13]。北美在激光熔覆领域的主要研究内容包括:(1)激光熔覆耐磨工具钢制造切割和冲压模具,如密歇根大学；(2)激光熔覆TiB2制备耐磨涂层,铝基材料激光熔覆铜合金,如田纳西大学。亚洲在激光熔覆领域主要研究内容包括：(1)激光熔覆应用于增强零件机械性能,如日本丰田、尼桑汽车公司和三菱公司等；(2)激光熔覆制备增强金属基复合材料涂层，如新加坡南洋理工大学等；(3)激光熔覆过程显微裂纹和残余应力,如日本名古屋大学Guojian Xu,Munaharu Kutsuna等,通过化学成分不变(CCCMLC)和化学成分成梯度分布(FGMMLC)多层熔覆层不同的方法,在碳钢JIS-SM400B表面熔覆钨铬钴合金和WC合金熔覆层,指出显微

裂

纹

产

生

的

敏

感

性

FG-MMLC

低

于

图1.2 熔化区与凝固区的形状模型

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图1.3 残余应力分布曲线 CCCMLC

[14]

。然而，无论是国内还是国外,对激光熔覆的研究只是限于在各种各样的基

体材料上熔覆各种各样材料或几种混合熔覆材料的熔覆,而后对激光熔覆层显微结构、组织、显微硬度、耐磨性以及耐腐性等性能进行定性研究,指出这些性能均得到了提高;有些学者在激光熔覆加工过程中对某种材料所采用不同的工艺参数(如激光扫描速度不同、激光功率不同等参数)条件下进行激光熔覆加工,而后对熔覆层进行比较,指出这种材料的最佳激光熔覆工艺参数。且激光熔覆加工过程工艺参数的确定每次均是通过几次实验来确定,而对不同工艺参数(激光功率、功率分布、激光扫描速度、光束直径、搭接率、外部环境影响、有无辅助气体及种类成份、熔覆材料特性)的条件下,对激光熔覆加工系统稳定性和加工过程参数作用规律和决策机制、从定性认识到定量的控制研究以及激光熔覆高精度高质量加工系统信息的获取、处理、融合研究较少。伴随着计算机技术的不断发展和进步，激光熔覆技术也在朝着自动化、智能化的方向迈进[15]。

1.3 本课题要研究或解决的问题及采用的研究手段 要解决问题

钛合金由于具有密度低、比强度高、抗蚀性优异、高温机械性能好等突出优点，在航空航天领域具有广阔的应用前景。但是钛合金存在摩擦系数高，耐磨性差等缺点，严重了钛合金作为摩擦磨损副零部件的应用。因此，采用先进的表面改性技术直接在钛合金表面制备耐磨涂层是解决上述问题的有效办法。TiC是一种低密度、高熔点、高弹性模量的陶瓷材料。由于其具有较低的反应生成自由能，因而是一种很有潜力的以抗磨料磨损为目标的颗粒增强金属基复合材料的硬质相。本文要解决的问题是如何通过合理控制熔覆过程中的各项工艺参数（如激光功率、光斑直径、扫描速度、作用时间、搭接率等）在钛合金表面涂覆TiC，以形成耐磨涂层，达到较好的熔敷效果并控制裂纹的产生。

采用方法

1.选用BT9钛合金作为试样，试样尺寸为18mm×18mm×33mm.用平均直径140μm的TiC丝材在氩气保护的氛围下进行同步送丝熔覆，控制每次只有一个参数发生变化。

2.在MM-200型摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验，试样尺寸10mm×10mm×10mm.用精度为0.1mg的Sartorius BS 110s型电子天平称量试样及标样的质量磨损。

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3.通过减小温度梯度的方法（如正火、退火）或使用超声波震动的方法减少或控制裂纹的产生。

2. 激光与材料的相互作用

2.1 原理概述

激光加工主要是利用激光的热能，激光加工的热源是高辐射强度的激光束。激光束经由光学系统聚焦后，其焦点的功率密度为10-10Wcm。被加工工件置于激光焦点附近进行加热，所以，激光加工的过程实际上就是高轻度的激光束与工件表面相互作用的过程。激光束投射在材料表面时，部分能量被反射，部分被吸收，部分被传递出去，具体情况取决于材料类型和激光波长。在到达材料表面的光能中，被材料吸收的那部分能量是对材料加工有用的[16,17]。光能以电子和原子的振动激发形式被吸收，并转化为热能，扩散至临近原子。随着吸收的光子越来越多，材料温度不断升高，从而提高光能吸收的比例。该过程可引发连锁反应，使温度在极短时间内（焊接中通常为一毫秒内）急剧升高。温度升高的速度取决于材料中能量吸收与能量消散之间的比例。光吸收长度是指光子能量被吸收导致光束强度降低至原来的1/e (37%)时光束传播的距离。该距离内材料吸收能量转化的热能扩散距离为

L = [4Dt]1/2,

其中L为扩散距离，D为热扩散率，t 为激光的脉冲宽度。如果热扩散距离远大于吸收长度，激光光斑处的温度升高将很有限。相反，如果扩散距离小于吸收深度，温度将急剧升高，导致材料熔化，甚至汽化。要达到预期的效果，无论是加热、软焊、焊接、钻孔、打标、切割还是微加工，工程师都必须选择合适的激光波长和脉冲宽度。它们大致上可以分为以下几个范围：脉冲宽度为10ms左右，聚焦功率密度为104Wcm-2作用于金属表面时，金属表面主要产生升温、相变现象，此现象主要用于激光表面硬化热处理；脉冲宽度为数毫秒，聚焦功率密度在104-107Wcm-2范围内作用于金属表面时，金属材料主要产生升温、熔化和热应力波现象，该现象主要用于激光焊接和激光合金化的表面处理；当脉冲宽度在0.1ms左右，激光功率达到108Wcm-2时，金属材料中除了产生升温和熔化外，

4

11

-2

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主要是汽化，同时还存在着激波和骇波的冲击，这些现象主要用于激光打孔、切割、划片和微调工艺。当光吸收深度与热扩散距离相等时，可以达到一个临界值，可根据该值选择特定频率激光的脉冲宽度。表一 列出了使用248nm波长激光时热扩散所需脉冲宽度的计算结果。由于各种金属的吸收深度接近，脉冲宽度的差异主要取决于扩散距离间的差异。例如，不锈钢与镍相比导热性较差，因此进行微加工时可以使用较长的脉冲宽度；另一方面，与镍相比，硅导热性更好，因此烧蚀时需要较短的脉冲宽度。人们认为，采用飞秒脉冲时，由于功率密度高、时帧短，激光与材料间的相互作用发生在多光子非线性过程中。此过程极为迅速，因此可以认为光束实际上一瞬间即可去除表面的原子，而不影响临近原子。由于飞秒激光不会在暴露表面上留下扰动层，因而适合微加工。 材料 激光种类 热扩散率（cm2/sec） 不锈钢 镍 硅 准分子 准分子 准分子 0.056 0.13 0.86 吸收长度（cm） 0.00001 0.00001 0.00001 脉冲宽度(ps) 446 114 29 表2.1

对于烧蚀来说，所用脉冲宽度必须小于表I中计算的临界值，但这样还不够。还必须保证脉冲具有足够的能量，以便每个脉冲都能加热足够体积的加工材料。对于一定的脉冲能量来说，随着脉冲时间的缩短，热量越来越被局限在激光光斑附近,逐渐产生加热、熔化、烧蚀、最终达到汽化的效果。选定合适的波长后，就要确定脉冲能量和脉冲宽度的组合，从而确定材料加工的类型。尽管激光与材料间的相互作用基本相似，但不同材料如金属、陶瓷、玻璃和塑料还各有不同的特点。图1显示了金属、塑料、陶瓷和玻璃的吸收长度-波长曲线。激光加工与电子束加工、等离子束和一般的机械加工相比较，具有以下特点： 1）

激光束的激光焦点小，功率密度大，能加工一些高熔点、高强度的合金材料，也能加工如陶瓷、金刚石、玻璃之类的非金属硬脆性材料以及其他的一些普通工艺难以加工的材料；

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2） 激光热加工是无接触加工，不需要钻头、刀具和冲压模具等工具。没有磨损工具，断裂和调换工具等问题。故激光束是一种永久锋利的、多用途的、能把材料加工成任意形状的机械加工工具；

3） 激光热加工自动化程度高，可用计算机进行控制，加工速度快，功效高，可方便地进行任何复杂形状的加工；

4） 5） 6） 7）

激光热加工的热影响区小，材料变形小，不需要后续处理； 激光处理不需要淬火介质，无公害，有利于保护环境；

激光可以透过玻璃加工真空容器内的工件以及处于复杂结构位置的工件； 激光热加工与电子束加工相比，不需要严格的真空设备，操作方便。

图 2.1

一般来说，激光和金属的相互作用，占优势的机理依赖于激光脉冲的持续时间、波长、功率密度和尖峰结构。对于较低的功率水平来讲，如数量级为105瓦/厘米2或更低的长脉冲持续时间，熔融占优势；当功率水平提高到107瓦/厘米2，脉冲的持续时间大于100微妙时，汽化将占主导地位。

航空发动机副零部件的磨损机理

航空发动机副零部件（轴承）是工作在高速高温的环境下。按标准的航空发动机设计，采用双半内圈三点接触式内导引结构，具体工况条件见表2.1。在众多失效形式中，最典型和普遍的是导引面严重破损，而非接触疲劳。图2.2（1）给出了轴承在上述工况下发动

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机实验前后的照片。轴承产生了严重的磨损，这种磨损发生在轴承内部的主要摩擦面上，包括保持架和内圈之间的导引面、滚动体和外圈的沟道之间。磨损后的轴承内部结构参数遭到彻底破坏，而且出现了如图2.2（2）所示的引导面“软磨硬”的异常磨损现象，即较软的保持架引导面磨损较轻，淬硬的不锈钢套圈磨损较严重，。运转9h保持架直径的磨损

量为0.18mm，而套圈的直径磨损量为6.06mm；此外，轴承还出现了热失稳。

严重时产生的局部高温有可能使轴承退火，甚至熔化，导致轴承元件断裂， 套圈和滚动体咬死，如图2.2（3）。

表2.2 转速 （r/min） 材料 载荷谱最大载滑油温度（℃） 寿命尺寸储存荷（N） 球和保持径向 套圈 300 9Cr18 架 钢 1500 4000 80 150~180 ≮50 θ25 8~10 轴向 进油 回油 （h） （mm期） （年） ×θ62×17

图2.2（1） 图2.2（2） 图2.2（3） 此外，这种高速高温轴承同样存在磨料磨损，由于采用了牺牲型铸铁密封环，密封面磨损下来的颗粒进入循环的润滑油系统，有限的润滑油存在严重的颗粒污染，因此加剧了滚动体、滚道、保持架等接触部位的磨损。加之钛合金摩擦系数高、抗磨损性差等特点，更加加剧了轴承的磨损。

固体材料宏观光学常量间的关系

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光波（电磁辐射）在不带电的、各向同性的导电媒质中传播时，服从麦克斯韦方程组。由麦克斯韦方程组出发可得：

式

中，激光在介质中的电场强度E，ε0和μ0是自由空间的介电常数和磁导率，εr是媒质的相对介电常数。ζ是媒质的电导率。对于磁场强度H也可获得类似的方程。

现考虑沿x方向传播的平面电磁波取E的一个分量Ey，其表示式为：

式

中E0为Ey的振幅，ω为角频率，υ为平面波沿x方向的传播速度。

将(2.1.2)式代入(2.1.1)式，得：

因

为光波在媒质中的传播速度υ应等于c／N，其中N是媒质的折射率，c是真空中光速，因此，有：

显

然，当ζ≠0时，N为复数，设

代

入(2.1.2)式，得

对

于磁场强度分量Hz，可得出相似的式子

从

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上述两个式子得知，ζ≠0时，光波以c／n的速度沿x方向传播，其振幅按e-amx/c的形式下降。这里n是通常的折射率，而κ则是表征光能衰减的量，称为消光系数。因此，光强按e-2amx/c衰减，即：

引

入比例系数α，得：

dI＝αI，积分可得： dxα

称为媒质的吸收系数，它的物理意义是：光在媒质中传播1/α距离时能量减弱到原来能量的1/e。将(2.1.8)、(2.1.9)式相比，得吸收系数：

式

中λ是自由空间中光的波长。 因为

将

(2.1.11)式代入(2.1.3)，利用实部和虚部分别相等及关系式求解方程组得：

，并

当ζ≈0时，。这说明对于非导电性材料，没有光吸收，材料

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为透明状。在电介质中，电磁波没有衰减地传播；而在导电媒质中，如在金属和半导体中，波的振幅随着透入的深度而减小，即存在光吸收。 2.2 激光在固态介质中的微观吸收机理

如上所述，当激光通过固体材料时，激光与固体材料中的电子、激子、晶格振动、杂质和缺陷等发生相互作用，产生了对激光的吸收。

以上的讨论仅仅把材料看成一种连续介质，完全不考虑材料的微观结构，因此得出的有关结论没有给出吸收的根源，也无法解释这样一个基本事实，即材料对激光的吸收和激光的波长有关。在某些波长，一些材料对激光是透明的，而对另一些材料却是强烈吸收，对某些材料激光却是被散射的。 2.3 激光在金属材料中的吸收

按照激光吸收的洛伦兹模型，金属中的吸收主要由自由电子来完成。自由电子可以在电场力的作用下自由移动，不受回复力作用，ω0=0,因此，由复介电常数的分量变为：

ε1=n2-k2=1-∑ω2pj/(ω2+γε2=2nk=∑ω2pjγj/(ω3+γ

22j)

(2.3.1) ) (2.3.2)

jω

如果只有一种衰减为γ的自由电子，上两式中求和符号已然无用，于是变为：

ε1=n2-k2=1-ω2p/(ω2+γ2) (2.3.3) ε2=2nk= ω2pγ/(ω3+γ2ω) (2.3.4)

经抽象化简整理可得：n和k的表达式.

由于在大多数金属中，等离子频率ωp远大于γ，因此，在激光频率远小于等离子频率时，n和k迅速增大，此时，激光被金属反射，吸收很少;在等离子频率附近，ω=ωp-γ2/2ωp-ωp时，n出现一个极小值，而k值单调下降，因此，在等离子频率附近，激光被很好地吸收；当激光频率继续上升，n迅速接近于1，而k迅速变为0，此时金属对激光是透明的。

事实上，金属除了对极高能的紫外线和更高频的x射线是透明的以外，对其余辐射都是不透明的；而金属的等离子频率处于紫外到近红外波段，因此从近红外激光、可见光到紫外激光对金属加工较为有利；对于远红外激光，金属几乎是反射的，因此加工金属若是用远红外激光，就必须对表面采取必要的增强吸收措施，或者使用超高能级光束。

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2.4 激光在固态介质中的散射

光散射现象是由于固态介质中存在有非均匀的颗粒结构或因为组成物质的分子和原子的固有振动对光电磁场产生影响，使得一部分光束在原传播方向上略微偏离原光轴，同时还可能伴有光频率的改变。

如果散射光的频率未发生改变，那么该散射称为瑞利散射；如果散射光的频率发生改变，那么该散射称为拉曼散射。由物质粒子结构引起的散射现象称为丁达尔散射。散射现象也是使得透射光线减弱的原因之一，因此，在尺度有限的物质中光的吸收包括入射束的吸收和散射减弱。

2.5 激光在固态介质中的非线性吸收

激光是一种极强的辐射，除了以上讨论的问题外，由于电磁场和物质的非线性相互作用，激光吸收还体现为其他一些非线性吸收现象。 2.6 钛合金的性能

金属元素钛处于元素周期表的第四周期IV~a族，原子序数22，是过渡金属。金属钛的熔点为1675℃，密度为4.508g/cm3，是典型的负电性元素。钛在882℃具有同素异构转变点Tc，在小于Tc的低温侧,其组织为具有密排六方晶格的α相,在大于Tc的高温侧,其组织为具有体心立方晶格的β相。钛与其它常用结构金属的性能如表2—1所示[18，19]。 表2.3 钛与常用金属的性能对比

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以钛为基加入各种金属或非金属元素就形成了钛合金，其中随着钛中加入的合金 元素不同，α/β相变点将发生变化，并产生宽温度的相变区，从而产生α+β两相区。使α/β相变点上升，,且在平衡相图上扩大α相区的元素是α相稳定元素，如Al、C、O、N等。反之，使α/β相变点下降，且在平衡相图上扩大β相区的元素是β相稳定元素，如Mo、Nb、V、Zr等。根据常温结构相的种类,大致可将钛合金分为α型、α+β型和β型三类。

一般来说，具有密排六方晶格结构的金属(如Zn、Mg等)都具有脆性大、不易产生塑性变形等特点。在室温下纯钛也具有α型密排六方晶格结构，但是其晶格常数c=0.46843nm，a=0.29511nm,轴比c/a=1.587，小于密排六方晶格结构轴比的理论值1.633，因而纯钛具有优良的塑性变形能力和加工性能。其中，高纯钛的δ=50~60%,ψ%=70~80%，甚至可以在室温下进行冷轧[20，21，22]。

高纯钛的抗拉强度不高，ζb=220~260MPa，经细晶强化后可达350~700MPa。 加入某些强化元素(如Co、V、Nb等)后，钛合金的抗拉强度为700~1200MPa，甚至可达到1400MPa[23，24]，超过了普通钢材的抗拉强度，几乎相当于超高强度钢的强度。然而，钛的密度仅为4.508g/cm3，因此钛及其合金的比强度相当高，而比强度高正是钛合金的最大特性之一。

钛及钛合金的另一个重要特性是具有优良的耐腐蚀性能。钛的标准电极电位为-1.63V，因此钛的化学性质极其活泼，和氧、氮、氢和碳等元素有很强的亲和力。在550℃以卜，

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钛及钛合金钝化能力比较强，能在其表面形成致密的氧化膜，与基体结合紧密，具有良好的保护作用[25]，因而钛及钛合金具有优良的耐腐蚀性能。此外，钛镍合金的形状记忆功能十分突出[26]，是当前材料工作者研究最多、工业应用最为广泛的形状记忆合金。 钛合金作为一种新型结构材料，近年来得到普遍重视，用量呈现大幅度增加的趋势，被广泛应用于航天航空、石油化工、舰船、汽车、医疗、文体等领域。在先进飞机上，钛合金获得了大量应用。目前，世界各国的高速飞机都广泛地采用钛合金作为结构材料。各种飞机零件，小至螺钉、螺母等连接件，大至机身骨架、隔框等结构件，都可以用钛合金来制造。甚至，长达6米、重达2吨的飞机起落架主支撑梁也可以用钛合金制造。如苏一27飞机上各种钛合金零件占飞机结构重量的15%，美国第三代战斗机F-14和F-15上钛合金零件的总重量占飞机结构重量的比例分别高达24%和27%，战斗机F-22上钛合金用量已达41%，而素有“全钛飞机”之称的美国YF-12A战斗机是当前世界上应用钛合金数量最多的机种，全机结构的93%用钛合金制造。钛合金的优点也适合航空发动机设计的需要。在航空发动机上，钛合金己部分取代铝合金、镁合金及钢铁材料。目前，先进航空发动机的压气机盘、压气机叶片和风扇叶片以及机匣等均由钛合金制造，已实现压气机全钛化方案[27，28，29]。随着飞机性能的不断提高与钛合金零件加工工艺的不断改进，可以预料钛合金在航空航天材料中将占有更加 重要的位置。

除航天航空领域外，钛及钛合金应用最广泛并且已见成效的地方主要是石油化工行业，特别是对纯钛的应用。应用范围包括各类储运容器、反应釜、过滤器、分离器、换热器、塔器、搅拌器及各种管、泵、阀、板、件等。在欧洲几个主要的发达国家，钛合金在化工领域的用量占到钛合金生产总量的40%左右，而在日本，约80%以上的钛合金应用于该领域。

在舰船领域，由于钛合金优良的耐海水腐蚀性能、无磁性等特点，其应用十分广泛。俄罗斯采用钛合金作为核潜艇的耐压材料，使潜艇的安全可靠性得以大大提高、设备体积缩小、重量减轻，从而增加了潜艇的有效载重量，减小了海水系统设备破损事故和维修保养次数，延长了使用寿命，提高战术技术性能。美国也成功地将钛合金用于各种动力的潜艇、水面艇、民用船，其船用部位有海水管路系统、冷凝器和热交换器、排风扇的叶片、推进器和轴、弹簧、航母上的消防设备等。我国也已成功地将钛合金应用在鱼雷发射装置

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液压水缸、危急冷却器、泵、阀及管道系统等方面[30，31]。

在新一代汽车设计中，减轻重量、降低燃料消耗、降低发动机噪音和振动是设计者们考虑的重要因素。作为轻合金的钛合金由于其密度小、比强度和比刚度高，将会被更多的设计人员选用[32]。预计到2006年，我国仅汽车、摩托车用钛总量就将达到5000吨。随着钛合金的成本降低(连铸、连轧等低成本工艺的开发和应用)，钛合金将在汽车工业中占有越来越重要的地位。

在生物医学上，由于钛合金无毒、耐蚀、质轻且强度高，是非常理想的医用金属材料，被广泛用作手术器械和植入人体的植入物，如人造髓关节、膝关节等[33，34]。

在文体用品领域，钛合金正以极高的速度进入市场，并己经形成一定的规模。其中以比赛用自行车和高尔夫球头最具代表性。钛制自行车质轻、强度高且防震性能优越，几乎所有的比赛用自行车都己采用钛材。而高尔夫球头选用钛合金制造后，具有接触球面大、重量轻、易于控制、易击中目标等优点[35]。

对电子行业而言钛合金无磁性、无毒，是传感器的理想材料。此外，笔记本电脑、手机、照相机、钓鱼用具、眼镜架等已越来越多地采用钛合金材料。

钛是我国矿藏资源较为丰富的元素。开发钛金属的应用领域对提高我国的资源利用率和因际地位具有十分重要的意义。多年来，我国海绵钛和钛加工材的产能和产量均在3000吨/年以下，与美、日、俄等国有数级的差距，仅占世界总产量的3%一5%。这种状况与中国作为世界钢铁大国的状况相比，形成了鲜明的反差，我国的钛/钢比、钛/有色金属比，均低于世界平均水平。因此，尽快解决钛合金材料表面性能较低的缺陷将极大地推动钛合金的应用，其意义十分重大。

作为一种新型的结构材料，钛合金也具有一些性能上的缺点。首先，钛合金的摩擦系数高，耐磨性差，对粘着磨损和微动磨损非常敏感，其表面容易划伤、啮合、咬死等。在550℃以卜，钛合金表面能在大气中形成致密且与基体紧密结合的氧化膜，起到良好的保护作用。但当使用温度超过550℃时，氧化膜开始被基体金属吸收，此时基体金属钛便能与大气中的氧、氮等气体发生强烈反应，甚至着火燃烧，从而造成基体金属的严重污染，并使金属迅速脆化，使工件无法使用。此外，钛合金还具有与生物骨组织的生物相容性差以及对聚合物、金属及陶瓷涂层附着力差等缺点，这些缺点都严重制约着钛合金的应用。

材料的许多性能往往取决于材料的表面性能，钛合金亦是如此。由于摩擦、磨损、高

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温氧化等失效行为以及对聚合物、金属及陶瓷涂层附着力差等缺点均起源于钦合金表面，并由其表面的物理、化学性能所决定，因此，提高钛合金关键零部件的耐磨性能、抗高温氧化性能以及生物力学相容性等“表面性能，成为钛合金应用研制进程中必须攻克的重要课题。

2.7 TiC的性能

TiC密度4.93g/cm3,浅灰色，立方晶系，不溶于水，具有很高的化学稳定性，几乎不与盐酸、硫酸起化学反应，但能溶于王水，，氢氟酸以及碱性强氧化物的溶液中。碳化钛是硬质合金的重要成分，用做金属陶瓷，具有高硬度、耐腐蚀、热稳定性好的特点。用作航空航天材料正好能弥补Ti合金的不足。 2.8 热影响区组织

热影响区分成两部分，一部分是非熔化区，另一部分是切割缝边缘的熔化区。结果表明:TC1钛合金的原始组织由等轴的α相和与之相间分布的黑色β相组成，其基本相由α相和β相组成。整个热影响区的组织由内向外晶粒逐渐变大。非熔化区明显比熔化区晶粒细小，组织特征为胞状晶，组织中的β相发生了马氏体转变，由初生的α相和针状马氏体组成

[21]

。

与其他金属及合金相比，钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、耐热性强、耐低温性好、可焊接等优良的综合性能，因此在飞机制造中的应用越来越多

[22]

。钛合金的性

能与它的显微组织结构有关联，而显微组织形貌与热处理制度有密切关系。在不同的加热、冷却条件下，钛合金中呈现不同组织。

图2.3为热影响区的50倍照片，热影响区宽度为150-350μm，整个热影响区从上到下有很小的锥度呈上窄下宽，这是由光源位置决定的。由窄向宽的方向是激光入射的方向，激光切割后，切割缝正面的热影响区较反面窄。采用激光切割，切割速度快，能量密度集中，使得热影响区较窄。如图3切口部位金相组织可以分为两部分，第一部分非熔化区组织，范围100-250 μm;第二部分激光切缝最边缘部分的熔化区组织，此部分是由熔融的金属冷却后形成的区域，范围10-100 μm。不同参数下切割，整个热影响区宽度有所改变。

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整个热影响区的组织由非熔化区向熔化区晶粒逐渐变大(如图2.4)。

组织特征为胞状晶，组织中的β相发生了马氏体转变，由初生的α相和针状马氏体组成。由于非熔化区的最高加热温度和冷却速度都较低，马氏体相变相对较少，因此此区域的针状马氏体相对于熔化区少很多，也更加细小

[23]

。

（图2.3）热影响区50倍金相照片 （图2.4）热影响区500倍照片

激光切割时高压辅助气体吹走了熔融的合金，在切割缝边缘部分会残留由熔融或者半熔融金属冷却形成的部分，粘连在热影响区边缘部分，形成了切割缝边缘特殊的金相组织。切割缝中晶粒较为粗大，这种情况的发生与TC1合金的物理性能密切相关。TCl合金熔点高，导热性差(是铁导热系数的四分之一)，且比热小

[36-41]

。因此过热区高温停留时间长(在

相同冷却条件下，比钢长2.53倍)，冷速缓慢，其结果使过热区出现较为粗大的晶粒组织。切割缝的组织为典型的马氏体，属于加热到相变点以上而快速冷却时，出现的β—α无扩散型转变。晶粒内是针状的α'相，此相为铝及锰在六方晶格的α钛中的过饱和相。形成的针状α'相贯穿整个原β晶粒，针与针之间相互平行(如图2.5)

（图2.5）熔化区500倍金相照片

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3 激光熔敷工艺

3.1 加工方案选择 3.1.1 激光器的组成及分类 激光器的组成

激光器虽然多种多样，但都是通过激励和受激辐射而获得激光，因此激光器的基本组成通常均由激活介质(即被激励后能产生粒子数反转的工作物质)、激励装置(即能使激活介质发生粒子数反转的能源，泵浦源)和光学谐振腔(即能使光束在其中反复振荡和被多次放大的两块平面反射镜)3部分组成。

(1)激活介质：激光的产生必须选择合适的工作物质或介质，在这种介质中有亚稳态能级，可以实现粒子数反转，这是获得激光的必要条件。这种激活介质可以是气体、液体，也可以是固体或半导体等。现有的工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外，非常广泛。

(2)激励装置：为了在工作介质中实现粒子数反转，必须用一定的方法去激励粒子体系，使处于高能级的粒子数增加。通常用气体放电的办法，利用具有动能的电子去激发介质原子，这种激励方式称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；此外还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于高能级的粒子数多于低能级的粒子数。

(3)光学谐振腔：有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射的强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。光在谐振腔中的两个镜子之间被反射回到工作介质中，继续诱发新的受激辐射，光得到迅速增强，光在谐振腔中来回振荡，这个过程持续下去，就会造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出得到稳定的激光。

激光器的分类

经过30多年的发展，现已开发的激光器超过200种，种类繁多，特点各异，用途也各不相同。激光器可按以下方法进行分类。

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(1)按工作介质来分有固体激光器、液体激光器、气体激光器、半导体激光器， 此外，还有化学激光器(靠化学反应而形成受激状态)和自由电子激光器等。

①固体激光器：固体激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子，除了用红宝石和玻璃外，常用的还有在钇铝石榴石(YAG)晶体中掺入三价钕离子(Nd)的激光器，它发射1060nm的近红外激光。固体激光器连续功率一般可达1000W以上，脉冲峰值功率可达109w。一般固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。近年来发展十分迅猛的光纤激光器，其工作物质是一段光纤，光纤中掺不同的元素，能够产生波段范围很宽的激光。

②液体激光器：常用的是染料激光器，采用有机染料作为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂(乙醇、丙酮、水等)中使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长的激光(在可见光范围)。染料激光器一般使用激光作泵浦源，常用的有氩离子激光器。液体激光器的工作原理比较复杂，它的优点是输出波长连续可调且覆盖面宽。

③气体激光器：工作物质主要以气体状态进行发射的激光器，在常温常压下是气体，有的物质在通常条件下是液体(如非金属粒子的有水、汞)及固体(如金属离子结构的铜，镉等粒子)，经过加热使其变为蒸气，利用这类蒸气作为工作物质的激光器，统归气体激光器之中。气体激光器中除了发出激光的工作气体外，为了延长器件的工作寿命及提高输出功率，还加入一定量的辅助气体与发光的工作气体相混合。气体工作物质是所使用的工作物质中数目最多、激励方式最多样化、激光发射波长分布区域最广的一类激光器。气体激光器所采用的工作物质，可以是原子气体、分子气体和电离化离子气体，为此，把它们相应地称为原子气体激光器、分子气体激光器和离子气体激光器。在原子气体激光器中，产生激光作用的是没有电离的气体原子，所用的气体主要是几种惰性气体(如氦、氖、氩、氪、氙等)，有时也可采用某些金属原子(如铜、锌、镉、铯、汞等)蒸汽，或其他元素原子气体等。原子气体激光器的典型代表是He—Ne气体激光器。在分子气体激光器中，产生激光作用的是没有电离的气体分子，所采用的主要分子气体工作物质有CO2、CO、N2、H2和水蒸气等。分子气体激光器的典型代表是二氧化碳(CO2)激光器和氮分子(N2)激光器。离子气体激光器是利用电离化的气体离子产生激光作用，主要的有惰性气体离子和金属蒸汽离子，这方面的代表型器件是氩离子(Ar+)激光器、氪离子(Kr+)激光器等。气体激光器具有结构简单、造价低、操作方便、工作介质均匀、光束质量好以及能长时间较稳定地连续

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工作的优点。因此，它是目前品种最多、应用最广泛的一类激光器，市场占有率达60％左右。

④ 半导体激光器：半导体激光器是以半导体材料作为工作介质，目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬、硫化锌等激光器。半导体激光器的激励方式主要有3种，即电注入式、光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器一般是由GaAs(砷化镓)、InAs(砷化铟)、InSb(锑化铟)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励。光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶(如GaAs、InSb等)做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励。高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS、CdS、ZbO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，目前性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。半导体激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上使用。20世纪70年代末期，由于光纤通信和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展。

(2)按波长来分，覆盖的波长范围包括远红外、红外、可见光、紫外直到远紫外，最近还研制出X射线激光器和正在开发的γ射线激光器。

(3)按激励方式不同，有光激励(光源或紫外光激励)、气体放电激励、化学反应激励、核反应激励等。

(4)按输出方式不同，有连续的、单脉冲的、连续脉冲的和超短脉冲的，其中脉冲激光的峰值功率可以非常大。

(5)按激活介质的粒子结构不同，有原子、离子、分子和自由电子激光器。氦—氖激光器产生的激光是由氖原子发射的，红宝石激光器产生的激光则是由铬离子发射的，另外还有二氧化碳分子发射的激光器。激光的频率可以连续变化，而且可以覆盖很宽的频率范围。

3.1.2 激光器选择

熔覆用激光的脉冲宽度一般在几毫秒，聚焦功率密度在104-107Wcm-2范围内，而激光熔敷就是利用激光的热能把基材和熔覆材料同时熔化，从而形成新的组织，达到改变材

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料使用性能的要求。因此，材料对激光的吸收率就显得尤为重要，然而材料对激光的吸收率又跟激光的参数和材料自身的性质有关，常用于激光熔覆的激光器有大功率的连续二氧化碳激光器，但某些场合也用百瓦级的二氧化碳激光器[42]。但是CO2 激光器也有其缺陷，就是波长较长，钛合金对其吸收率较小。随着大功率Nd：YAG激光器的发展，采用Nd：YAG做激光熔覆的不断增多[43~47]。由于其光束可用光纤传输，明显提高了零件处理的柔性，方便遥控操作。又由于它波长较之CO2 短，能量在工件上的反射损失少，提高了能量的耦合效率。综合各方面因素，这里选用Nd：YAG激光器。

图 3.1

Nd：YAG激光器是一种用钕掺杂钇铝石榴石晶体作为发光物质的固体激光器，又称钇铝石榴石激光器。它输出的激光波长为1.06微米，落在红外光的范围[48，49,50]。图3.1为Nd：YAG激光器的典型结构：其中氙灯或氪灯为能量来源，YAG晶体提供离子，氙灯或氪灯激发YAG晶体中的离子使之发生能级跃迁产生激光，聚光器把产生的激光聚在一起，全反射镜和部分反射镜组成光学谐振腔，其作用是将经过聚光器聚集的激光进行放大。 3.1.3 激光器工作方式的选择

激光器的工作方式可分为连续激光、脉冲激光、巨脉冲激光和超短脉冲激光。连续激

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光是激光泵浦源持续提供能量，在激光工作物质中长时间地建立离子数反转条件，长时间地产生激光输出，从而得到连续激光。连续激光的输出功率一般都比较低，适合用于要求激光连续工作的场合（如激光通信、激光手术等）。脉冲激光是指每隔一定的时间发射一次的工作方式，脉冲激光具有较高的输出功率，适用于激光熔覆、切割、测距等。常见的脉冲激光器有固体激光器中的钇铝石榴石（YAG）激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器等。还有氮分子激光器和准分子激光器。这里选用脉冲激光，其中脉冲时间为0.1s。 3.1.4 光学元件和匀光系统选择

在激光加工中，激光器输出的激光经过导光系统、聚焦系统或匀光系统等光学系统，照射到被加工工件上，以满足加工的要求。根据加工的不同要求，选择相应的激光波长、输出功率、运转形式(连续或脉冲)、激光模式等，所需的激光元器件也不同。合理选择激光光学元件和光学系统是保证加工质量的重要因素。

光学元件的选择

光学元件分为反射型和透射型。激光器的全反射镜、导光系统中的高反射率转折镜和光路中的反射镜等是反射型光学元件。反射型光学元件不存在色散，其光学特性是对不同波长光的反射率。用于反射型光学元件的材料应在工作波段有良好的反射率。

对于红外激光，用来制作反射镜的材料有铜、钼、硅、锗等。金、银、铜对CO2激光的反射率和热导率较大，很容易导出表面吸收的激光能量，所以破坏阈值很高，适合制作C02激光的反射镜。

纯铜硬度低，不易进行光学抛光，一般是将铜粗磨后镀镍、铬，再精密抛光，镀金或红外介质膜。钼镜的硬度高，熔点高，激光加工中的溅射物不易黏附在表面，可擦拭污染表面，所以易污染的加工部位可选用钼镜。硅的热导率很大，线胀系数很小，只有铜的15％，因而不易受热畸变，热稳定性好，其硬度很高，便于进行光学抛光。硅对C02激光的反射率低而吸收率高，抛光镀膜后可用作反射镜。但其破坏阈值低，一般在低功率密度下使用。锗是CO2激光10600nm波长的透射材料，反射率很低，镀膜后反射率可达99％以上。锗的硬度也很高，便于进行光学抛光，但它的吸收率随温度的变化很大，只适合于低功率激光器。砷化镓的吸收率小，基底材料抗破坏阈值大于1.5×105W／cm2，尽管它对红外光的反射率很低，但经过镀膜后反射率可达99％以上，可以用作高功率激光器的反射镜。

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激光器的输出镜、聚焦系统的透镜、光路中的棱镜等均为透射型光学元件。用于透射型光学元件的材料应在工作波段有良好的透过率。

在激光加工常用激光器中，CO2激光器输出波长为10600nm的红外光，不能透过普通光学玻璃，一般情况输出功率也很高，因此需要特殊的输出窗口和透射光学元件材料；Nd：YAG激光器输出波长为10nm的红外光，可以采用普通光学玻璃作为输出窗口和透射光学元件材料，采用最多的材料是硅酸硼冕牌玻璃，其透光波段为0.4—1.4μm，被广泛用来制作透镜、反射镜、棱镜等。

常用的CO2激光透射材料有三种半导体材料：锗(Ge，对10600nm波长的折射率n＝4)、砷化镓(GaAs，对10600nm波长的折射率n＝3.277)、硒化锌(ZnSe，对10600nm波长的折射率n＝2.4)。前两者对可见光不透明，后者对可见光的黄光和红光部分透明，用其制作输出窗口时，可用氦氖激光器的红光作为准直光来调光路。锗在超过350C以上时吸收率和透过率将发生明显变化，这将严重影响到激光器的输出功率和稳定性，因此锗材料只能用于小功率激光器，并且窗口还需水冷。砷化镓的热破坏温度最高，适用于高功率激光器。绝大多数材料的吸收率随温度的升高而增大。半导体材料对红外光的吸收主要是自由载流子吸收，吸收随温度上升按指数规律增加。材料吸收红外光后产生热量，半导体内自由载流子受热产生运动又增加了对红外光的吸收，如此循环，当温度升到破坏阈值时，窗口或透镜等透射元件将产生热破坏。由于硒化锌不仅对可见光透射，而且吸收率最低，因此我国的高功率CO2激光器多采用硒化锌制作窗口和聚焦透镜。也可以采用氯化钾(KCl)或氯化钠(NaCl)作为CO2激光的透射材料，它们属于碱金属类红外材料，吸收率很低，对10600 nm波长的折射率为1.5，折射率温度系数为负。根据所选激光器，这里选用普通光学玻璃作为透射型光学元件。

匀光系统的选择

为获得均匀的激光表面处理带，以及提高处理效率，研制了多种匀光光束处理燕系统。这些系统有反射式、透视式和光纤传输式等。

(1)卡塞格伦光学系统(Cassegrain Optics)，凸凹面组合镜(2)波导积分器

[52]

[51]

。

，它是方形截面光管积分镜，可得到方形光斑，能量接近等强分布。

(3)旋转多面镜。得到展宽且能量分布较均匀的扫描带。

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(4)积分抛物面镜

[53]

。镜组没有运动而得到线形光斑。

(5)振镜，采用一面或互相垂直的两个平面镜扫描。这种镜组柔性较高，但要求控制技术较高[54]。

(6)可变形镜面[55]，镜片厚度在0.8～15mm，背部为真空室，由5个平行丝杠支撑，调节丝枉上下，同时调真空度，使镜面变形。获得线形光斑。

（7)分割可调组合镜，各镜片由其背后的螺丝调整方向，使镜面的法线不平行，得到光强较均匀的矩形斑。

(8)透射式棱锥积分镜为等边棱锥，产生正方形光斑，光斑尺寸可由调节透镜位置而变化。(9)旋转三棱镜，形成环形光斑，可对环形表面实现无起止搭接点回火的硬化带。 (10)双束处理系统：主光束为处理加热，辅助(第2)光束(功率较小)作为后热或预热，以减少处理区的温度梯度，防止开裂。使用功率相同的双激光柬，可展宽硬化带。

(11)Nd：YAG激光可用光纤传输，自由传输的光斑尺寸随离开出口距离而增大。经过准直的平行光束，在几百毫米距离内传输，其束径基本不变，使用内准直和望远镜处理光束，能量分布趋于均匀，更适合表面处理。光纤是利用光的全反射原理传光原理如图3.2和3.3所示。

[56]

传输光能。光纤

图 3.2 光纤传光原理

图 3.3 光纤传输原理

普通光纤是以Si02为基质材料，可以很好地透过波长为10nm的YAG激光，但是对波长

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为10600nm的CO2激光不透明。目前在研究将卤化物材料用来作为传输C02激光的光纤材料。

激光加工用的光纤与普通光通信用光纤不同，需要传输高功率激光，要求能承受高功率密度，一般芯径较大，为几百至上千微米。另外应当注意光纤端面保持干净，否则灰尘在强激光照射下很快汽化，容易将光纤端面损坏，严重影响加工质量。

影响光纤传输的因素包括光纤的数值孔径、纤芯的尺寸、纤芯和包层的相对折射率差、光斑尺寸、激光功率、光纤端面质量、连接耦合、光纤长度等参数。光纤传输的优点：①光纤传输系统比透镜、反射镜、棱镜等系统体积小、结构简单、柔性好、灵活方便，可以加工常规系统不容易加工的部位。②光纤传输系统容易实现一台激光器输出，轮流或同时导向多个加工部位。③采用光纤可以远距离传输，光束不发散。④采用光纤可显著改善加工面光束的均匀性，使加工区域的边缘清晰。⑤光纤便于与机器人或其他元件耦合，给各种应用带来了方便。但由于光纤传输存在光纤端面的反射损耗、光纤的吸收损耗、散射损耗等，所以光纤传输系统的传输效率约为90％左右。目前光纤导光系统仅可用于波长为10 nm的Nd：YAG激光器的导光系统，波长为10600nm的C02激光器因热损严重，一般不采用。因此，这里选用光纤传输。

3.1.5 送料方案的选择

激光熔敷的送料方式有很多，有预置涂层法、热喷涂法、箔材和丝材滚压或粘结法、同步送粉法、同步送箔法和同步送丝法等。

（1） 送丝法 用丝材做激光熔敷因反射率高于粉末材料，可将丝预热到1000℃，使所需

激光功率显著减少，材料利用率接近100%，熔覆速度高达3kg/h

[57]

。将丝材倾斜指

向处理表面，用高于等离子形成阈值的功率密度（>2000000W/cm2）辐照，激光能量主要经由等离子体传递给丝材和零件，使用容易离子化的气体作为防护气（如CO2），送丝法比粉末法节约激光能量，但稀释度比粉末法高。

（2） 三料斗送粉系统 三料斗送粉系统采用螺旋送给和气动送给相结合。直流马达转速

越高，粉末流动速度越快。在电机放大器和计算机之间有A/D和D/A接口，DC马达速度由程序软件控制。三个料斗分别由三个马达和三个转速表反馈控制粉末进给

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率，然后在混料器中汇集，各种粉末的送给率和马达转速的关系事先标定，通过反馈控制自动按程序操作。

（3）与激光束同轴送粉 同轴送粉系统研制成功使激光修复和激光铸造（LDC-Laser direct casting process）成为可能，由CAD图样直接快速制造金属零件。激光熔覆同轴送粉装置采用激光束和防护气从中轴通道通过，粉末束流及其载体气体沿锥形环道通向喷嘴，锥体位置上下可调，因此改变束流形状，外环为防护气。激光束焦点位于喷嘴出口处，焦距长150mm，发散角约为8°，粉末与一束扩张的激光束作用。为长时间连续工作，喷嘴可加水冷套。美国量子激光公司的Omni Spray同轴动力送粉器（DPF-Dynamic Powder Feed）,能做零件外表面和内孔的激光熔敷，提高了设备的柔性。这里选用同步送丝法,全过程用氩气做保护气体。同步送丝法的工艺如图2-1所示，，用丝材作为激光熔覆材料，将丝材倾斜指向处理表面，用高于等离子体形成阈值的功率密度辐照，激光能量主要有等离子体传递给丝材和工件[58~63]。虽然无论从技术角度，还是生产效率角度，预置法和同步送粉法都是激光熔覆材料添加方式的主流，但是送丝法激光熔覆技术的优势主要在于：l、可以使用容易离子化的气体作为辅助气体，材料的利用率接近100%；2、送丝法激光熔覆所需

激

光

功

率

小

图3.4 送丝法激光熔敷示意图 3.1.6 激光熔敷过程监控系统

为保证激光熔覆工艺和质量的稳定性、重复性和可靠性，开发了自动化精确实时的过程控制方法和设设备。

(1)送粉率的在线控制。 测量送粉率有声、光、电和机械等传感技术。关键是

在线测量和控制问题。德国B．Grfinenwald等建立的控制系统，用直流马达环形滑道的旋转圆盘送粉器，使用克感量20～100mg应变的天平称量送粉量。其电信号经放大器处

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理后，由A/D卡送入控制计算机，经由专用软件控制送粉率。事先测出每种熔覆粉末的标定因子，获得送粉率和马达转速的关系。将送粉系统集成在激光处理机的CNC系统中，即可实现高度自动化的激光熔敷。

英国L.Li和W.M.Steen提出激光熔覆闭环控制送粉系统，使送粉率波动的控制精确度进一步提高达到2％左右。

(2)激光参量和光束质量在线监测。新型激光器虽有微处理器控制，输出功率稳定，但是在处理过程中外光路系统诸多因素会使光束能量分布状态、传播方向和聚散性等发生改变。因此在线监测反馈控制激光参量和光束质量是很有必要的。

(3)熔池温度检测与控制。用高温温度计测激光熔覆熔池表面温度并闭环控制。熔覆过程中激光功率自动适时调整，保持熔池温度稳定。

(4)熔池行为闭环监控系统。英国L.Li和Steen等人用CCD视频摄像机通过绿色滤光片直接摄取激光处理过程熔池的动态状况，通过反馈调节激光系统动作。实时显示，自动报警，实现在线控制。 3.2 激光熔敷工艺参数选择

激光熔敷质量的好与坏主要是看熔覆层的质量。激光熔覆层的质量主要是指其宏、微观质量，包括尺寸参数、宏观表面形貌和缺陷、稀释率、显微组织结构、化学成分分布、力学性能及结合方式等，它们除了受熔覆材料和基体材料的熔点、导热系数、热膨胀系数、密度等物理性质和和相互之间的化学匹配性制约之外，主要取决于激光熔覆的工艺参数

[]

。同步送丝法激光熔覆工艺参数主要包括丝材的直径和激光加工工艺参数。在工业应用

中，选定丝材的直径和基体材料、确定激光器和光学系统之后，主要是通过调节激光加工参数来控制熔覆层的质量。对于送丝法脉冲Nd：YAG激光熔覆，激光加工工艺参数主要由激光器的电流、激光的脉冲宽度和频率、熔覆速度、离焦量、送丝方位等多个因素共同决定。国内外研究者[65，66,67,68,69]做了相关的究工作，探讨了多个工艺参数之间的相互关系以及对熔覆层质量的影响。

3.2.1 激光单脉冲能量对熔覆质量的影响

单脉冲能量是指脉冲激光器输出单个脉冲激光的能量，主要用来熔化丝材和基体以形

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成熔池。研究表明，在激光熔覆过程中，如果单脉冲能量太低，就会出现两种情况：一种是熔覆材料不能充分熔化，未充分熔化的熔覆材料快速冷却时，在表面张力的作用下凝结成不连续的熔滴，不能形成熔覆层；另一种是熔覆材料充分熔化，而基体表面未能熔化，虽然熔覆层成型，但是与基体非冶金结合，熔覆层不牢靠、易脱落，熔覆质量不好。可是当输入能量过高时，基体过度熔化，增大了熔覆层的稀释率，降低了熔覆层的力学性能，影响修复的效果[70]。因此，单脉冲能量是脉冲Nd：YAG激光熔覆的前提条件，只有选择合适的单脉冲能量，熔覆材料才能充分熔化，基体微量熔化与熔覆材料形成冶金结合，并能保证熔覆材料在基体上形成连续的激光熔覆层。Nd：YAG激光器的激光束能量由电能转化而来，电能的大小取决于激光器的外接电压、通过激光器的电流和激光的脉冲宽度。根据脉冲Nd：YAG激光器产生激光的原理，可知每一个脉冲激光的输出能量与激光器的电压、电流、脉冲宽度以及激光器的光电转化效率有关。由电能的表达式可知，脉冲Nd：YAG激光器的单脉冲能量的方程式为：

式中W为激光的单脉冲能量；U为激光器的外接电压；I为通过激光器的电流；η为激光的脉冲宽度；3％为激光器的光电转化率。由于激光器的外接电压恒定为380V，所以本实验通过控制激光器的电流、激光的脉冲宽度来调整激光单脉冲的能量，从而分析这两个参数对激光熔覆质量的影响。

激光器电流

实验中使用0.1Mpa的氩气作为辅助气体避免熔覆层在高温时被氧化，其他工艺参数为：离焦量d=-10mm，频率f=25Hz，脉冲宽度Pw=2.5ms，熔覆速度V=2mm/s，送丝方向在水平方向上的分方向与工作台的移动方向相同且与基体成15°~35°。由上式可知，单脉冲能量随着激光器电流的增大而增大，所以选取电流的值分别为135A、145A、155A、160A、165A来分析激光器电流对熔覆层的影响。

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(a)I=135A (b)I=145A (c)I=155A (d)I=160A (f)I=165

图3．5激光器电流值不同时熔覆层形貌图(50×)

激光器电流值不同时熔覆层形貌图如图3.5所示，图3.5—a中熔覆层的高度与所用丝材的直径相近，说明丝材虽然已经完全熔化，但基体熔化量不够，以至于熔覆基本型，但丝材未与基体形成冶金结合，熔覆质量不高。随着激光器流的增大，熔覆层的起点处熔覆层的高度减小，熔覆层宽度变化如图3.6所示，着电流的增加而明显增加，此外选择合适的电流值还可以得到表面形貌对称、均匀、平整滑的熔覆层，如图3.6—c所示。随着电流的进一步增大，单脉冲能增加到一定值时，熔覆层表面形貌不对称，颜色有银灰色变为浅褐色，有一定氧化产生，有明显的凸起和凹坑，并带有少量飞溅，说明单脉冲能量过高，相互作用过于剧烈，从而影响熔覆的效果。实验表明：当电流为155A时熔覆果最好。

图3.6 激光器电流值不同时熔覆层宽度变化曲线

稀释率是指激光熔覆过程中，由于基体的熔化而引起的熔覆层合金成分的变化程度，用基

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材合金在熔覆层中所占的百分比率表示。目前计算稀释率的方法有：

(1)按熔覆层的成分实测值计算；(2)熔覆层横截面的面积测量值计算(几何稀释率)；(3)熔覆层高度和基体熔池深度测量值计算。第一种方法测量结果比较准确，能够真实反映基体对熔覆合金的稀释程度，但比较复杂，需要专门的设备，不利于实施。后两种方法比较直观，测量结果是一致的，但没有将熔覆材料和基体材料本身物理参数的差异以及与工艺参数之间的关系直接的反映出来。此外，对于每一道熔覆层而言，由于激光的热影响作用，沿扫描方向熔覆层存在宽化、基体熔化深度变大等现象，仅靠熔覆层某一截面的信息，已不能满足实施工艺过程的现场控制，需要探讨如何在动态下描述稀释率随工艺参数的变化规律

[30，31]

。因此，在分析激光熔覆冶金过程的基础上提出稀释率为基体熔化量与熔覆层、基体

熔化量之和的比为：

式中Mj为基体熔化的重量；Mr为熔覆层的重量；μ为稀释率。不同的重量计算方法对应着不同概念的稀释率。为简化计算，选择单位时间作为计算单元，则对应的稀释率为单位时间稀释率。为研究问题方便，做如下简化和假设。

(1)在激光熔覆过程中，由熔池内存在的温度、浓度梯度共同作用形成的表面张力梯度决定了熔池表面是曲面而不是平坦的，如图3.7所示，为计算简单，假设熔覆层和基体熔化层的断面形状为抛物柱面。忽略熔覆层的宽度变化现象和熔池深度的变化。(2)熔覆材料和基体材料是各向同性和均质，且不因二者的相互混入改变物理参数的大小。

图3.7 激光熔覆层截面示意图

根据激光熔覆层截面示意图3.7所示，单位时间内沿扫描方向被激光加热熔化的熔覆材料

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和基体材料的重量分别为：

式中：Vs为扫描速度；ρ1、ρ2分别为基体材料、熔覆材料的密度。由于本实验中应用的基体材料成分和熔覆材料成分相近，所以可以近似认为ρ1=ρ2。由(3—2)可得：

对化学腐蚀后的试样检测得出的熔覆层高度H和熔池的深度h，代入式(3-5)，计算得出对应于各个熔覆工艺的激光熔覆层稀释率μ。将试验结果绘制成激光熔覆层稀释率μ随激光器电流的关系曲线，见图3.8。可以看出：在实验误差范围内，除激光器电流以外其他的参数相同的情况下，激光熔覆层稀释率随电流的增大而增大，而增大到一定值后变化幅度减小，原因是电流的增加即激光功率的增大意味着单位间单位体积内基体和丝材吸收的能量也增大，导致基体的熔池的深度增大。

图3．8熔覆层稀释率与电流关系曲线

激光脉冲宽度

实验中使用0．1Mpa的氩气作为辅助气体避免熔覆层在高温时被氧化，其他工艺参数为：离焦量d=-10mm，频率f=25Hz，熔覆速度V=2mm/s，电流I=155A，送丝方向在水平方向上分方向与工作台移动方向相同且与基体成15°~35°。由式(3．1)可知，单脉冲能量随着激光脉冲宽度增大而增大，所以选取脉冲宽度的值分别为2.0ms、2.5ms、3.0ms、3.5ms

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来分析激光脉冲宽度对熔覆层的影响。

图3．9激光脉冲宽度不同时熔覆层形貌图(50×)

激光脉冲宽度不同时熔覆层形貌如图3.9所示，图3.9—a中一半以上的熔覆材料被辅助气体吹走，主要原因是由于脉冲宽度较小，单脉冲能量也相应较小，使激光束的能量只能完全熔化丝材，而未熔化基体，所以导致熔覆材料在熔化后在侧吹气和表面张力的作用下没有结合在基体上。随着脉冲宽度的增

大，单脉冲能量的增大，丝材与基体的成型越来越好，熔覆层的宽度逐渐变大，熔覆层的高度逐渐变小，但当脉冲宽度为3.5ms时，熔覆层的表面形貌变得不够平整，特别是在起点处，而且表面的颜色也变为暗褐色，原因是熔覆和基体材料吸收的能量超过了一个临界值，焊丝在高温的情况下氧化所致。通过对试样的对比发现，当脉冲宽度为2.5ms时，熔覆的效果最好。

3.2.2 激光熔敷搭接率对熔覆质量的影响

为了简化工艺参数，有利于优化工艺参数的调整，常明等[32]提出了重叠率这一定义，在激光熔覆过程中，以重叠率为依据，综合考虑脉冲频率、熔覆速度及激光光斑直径即离焦量对激光熔覆质量的影响，将三者对熔覆层质量的影响归结为一个参数。单脉冲能量是脉冲Nd：YAG激光熔覆的前提条件，保证熔覆材料熔化且与基体冶金结合；重叠率则是

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脉冲Nd：YAG激光熔覆表面形貌平整光滑的

保证，只有重叠率合适时，才能有较平整光滑的熔覆层。重叠率的方程式为：

从式(3-6)可以看出，重叠率与熔覆速度成反比，与脉冲频率成正比；从式(3-7)可以看出，重叠率与光斑直径成正比。在得出关于单脉冲能量的优化工艺参数后，结合实际情况，综合考虑各方面的因素，下面讨论熔覆速度、脉冲频率、离焦量对熔覆质量的影响。 熔覆速度

在实验中使用0．1Mpa的氩气作为辅助气体避免熔覆层在高温时被氧化，其他工艺参数为：离焦量d=-10mm，频率f=-25Hz，电流I=155A，脉冲宽度Pw=2.5ms，送丝方向在水平方向上分方向与工作台的移动方向相同且与基体成15°~35°。由式(3-6)可知，重叠率随着熔覆速度增大而减小，所以选取熔覆速度的值分别为1.0mm／s、1.5mm／s、2.0mm／s、2.5mm／s、3.0mms来分析熔覆速度对熔覆层的影响。

表3-1熔覆速度不同时熔覆层质量评价表

熔覆速度 表面质量指标 表面成型 表面氧化 飞溅 较多 裂纹气孔 无 1.0mm/s 成型良好，表 严重 面凹凸不平 1.5mm/s 成型良好，平 较多 行但不光滑 少量 无 2.0mm/s 成型最好，平 较少 整且光滑 微量 无 2.5mm/s 成型良好，有 较少 未熔，平整 微量 无 3.0mm/s 成型一般，未 较少 熔较多，平整 微量 无 第33页 共48页

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通过体视显微镜观察，熔覆速度不同时熔覆层表面质量对比分析的结果如表3-l所示。在实验的五组试样中，所有的试样均不存在裂纹和气孔，说明熔覆材料和基体有较好的匹配性。速度为1.0mm/s时，飞溅较多的原因是丝材在充分熔化的情况下单位长度吸收的激光能力增大，相互作用较为激烈，容易产生严重的氧化，表面形貌不是很理想，但随着速度的增大，单位时间单位体积的能量不足以熔化焊和部分基体，导致未能形成良好的冶金结合，综上所述，当速度为2.0mm／s时，熔覆效果最佳。 激光脉冲频率

在实验中使用0.1Mpa的氩气作为辅助气体避免熔覆层在高温时被氧化，其他工艺参数为：离焦量d=-l0mm，电流I=155A，脉冲宽度Pw=2.5ms，熔覆速度V=2mm／s，送丝方向在水平方向上分方向与工作台的移动方向相同且与基体成15°~35°。由式(3—6)可知，重叠率随着脉冲频率增大而增大，所以选取脉冲频率的值分别为15Hz、20Hz、25Hz、30Hz、35Hz来分析熔覆速度对熔覆层的影响。

激光脉冲频率不同时熔覆层形貌如图3.10所示，通过观察可以发现，采用不同的脉冲频率对试样进行熔覆，表面的成型良好，平整，无裂纹和气孔，但也可以明显的看到，当频率为15Hz时，熔覆表面的致密性不够好，光滑程度不够，随着频率的增加，这一情况得到了较好的改善，但也并不是频率越大越好，因为当频率增大到一定值时，激光束在工件的热积累增加，会导致一定的氧化，如图3.10一f中部所示，基体和熔覆层表面的颜色变为灰褐色，还会导致稀释率的增加，从而影响熔覆层的力学性能，综合以上因素，当频率为25 Hz时熔覆质量较好。

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图3.10 光脉冲频率不同时熔覆层形貌图(50×)

离焦量

离焦量是指基体表面离光束焦点的距离，用d表示。当光束焦点恰好在基体表面时d=0；当光束焦点位于基体表面以外时称为正离焦，d>O；当光束焦点在基体内时称为负离焦，d图3．11光束焦点与基体表面位置关系图

激光束焦点位置与基体表面位置关系是影响熔入特性的主要因素，当d>0且大小合适时，基体表面的能量合适，在基体表面以下部分能量密度较低，主要靠热传导累积热量，因而热影响区较大，不利于进行精密熔覆；当d=0时，基体表面的能量密度高，熔覆过程反应

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剧烈，有较多的飞溅，熔覆层表面易氧化；当d<0时，基体表面的能量密度合适，但是在基体表面以下部分能量密度越来越大，如果能够保证基体表面的能量密度，能够有效地提高熔覆特性。因此本实验研究了大小不同的负离焦量对熔覆质量的影响，在实验中使用0.1Mpa的氩气作为辅助气体避免熔覆层在高温时被氧化，其他工艺参数为：电流I=155A，脉冲宽度Pw=2.5ms，熔覆速度V=2mm／s，脉冲频率f=25Hz，送丝方向在水平方向上分方向与工作台的移动方向相同且与基体成15°~35°。

图3.12 离焦量不同时熔覆层形貌图(50×)

离焦量不同时熔覆层的表面形貌如图3.12所示。当负离焦量越来越小时，熔覆质量越来越差，由于光斑直径小，能量密度较大，基体材料熔化后飞溅到熔覆层表面，如图3.12—b所示。随着负离焦量的迸一步减小，能量密度过高，导致熔覆层表面出现过烧现象，有明显的气孔和裂纹，并有严重的氧化。负离焦量增大时，表面逐渐平整光滑，与基体成型变好，但也并不是越大越好，必须保证基体表面的能量密度达到一定的值。工艺试验表明，当d=-10mm时，熔覆效果最好，采用烧痕法测量发现此时光斑直径D=0.7mm。 3.2.3 辅助气体对熔覆质量的影响

激光熔覆是在高能密度(大于104W／cm2)的激光束作用下迅速将熔覆材料和基体熔化、扩散及快速凝固，在基体表面得到无裂纹气孔的冶金结合层，从而强化熔覆表面的工艺。由于激光束是近似绝热的快速加热过程，高温熔化的材料易与周围的空气发生氧化反应，如图3.13—c所示，熔覆过程中不使用辅助气体，导致熔覆层氧化严重此外辅助气体还可以起到冷却熔覆层的效果，使其凝固效果更好。在工业实际应用中，一般采用价格比较便

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宜的氩气作为辅助气体，辅助气的吹气方式对熔覆效果也会产生重要的影响如图3.13—a所示，采用右侧吹气的方法，发现在熔覆层表面有熔化的熔覆材料吹动的痕迹从而影响熔覆效果，而且，侧气只对局部有保护作用。实验结果表明：采用从激光喷嘴吹气的方式最佳，如图3.13—b所示，熔覆层表面光滑平整，所有区域颜色均为银灰色，说明这种吹气方式对熔覆过程起到了全面的保护作用。

图3.13 吹气方式对熔覆层质量的影响(50×)

3.2.4 送丝方位对熔覆质量的影响

选择合理的送丝方位对熔覆层的质量有着重要的影响。如图3.14所示，当丝材与基体的角度很小时，送丝过程势必受到凝固过程中的熔覆层的影响，此外这种送丝方式在熔覆速度较快时丝材未能完全熔化。如图3.15所示，当熔覆速度较快时丝材未能完全熔化，而且送丝的位置必须很准确，否则熔覆层的对称性会受到影响。如图3.16所示为丝材未能完全熔化的情况。

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图3.14 送丝方式示意图

图 3.15 送丝方式示意图

图3.16 丝材未能完全熔化的熔覆层表面形貌图(50×)

如图3．17所示送丝过程不会受到凝固过程中熔覆层的任何影响，在熔覆速度很快时丝材也能够完全熔化。如果激光束的能量未能完全熔化丝材，丝材将插入熔池并受其热量热熔

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化，如图3.18一a所示。利用图3.17所示的送丝方式，熔覆速度和送丝位置都可以有一个比较大的误差范围，实验结果表明：丝材与基体的角度大小在15°~35°范围内时，均可以得到熔覆表面形貌良好的熔覆层，如图3.18—b所示为采用这种送丝方式得到的光滑均匀的熔覆形貌。采用正确的送丝方位，可以解决激光熔覆过程存在的丝材熔化和熔滴过渡问题。

图3.17 送丝方式示意图

图3.18 熔覆层表面形貌（50×）

结论

(1)通过理论分析和实验证明：只有选择合适单脉冲能量，熔覆材料才能充分熔化，基体微量熔化与熔覆材料形成冶金结合，并能保证熔覆材料在基体上形成连续的激光熔覆层；只有重叠率合适时，才能有较平整光滑致密的熔覆层。实验结果表明：当单脉冲能量为4.42J，重叠率为92．27％时，熔覆质量较好。

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(2)送气方式和送丝方式对熔覆层的质量有重要影响，结果表明：采用与激光喷嘴送气能使熔覆层得到全面的保护；送丝方向在水平方向上分方向与工作台的移动方向相同且与基体表面成15°~35°时熔覆层表面平整光滑，并且能够利用熔池的能量来使激光焊丝的熔化，有效地解决了熔滴过渡问题。

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中北大学2013届毕业设计论文

激光，2002,22（4）：392~394.

[73] 常明，张庆茂，廖健宏等．脉冲Nd：YAG激光熔覆修复塑料模具工艺参数的优化[J]．强激光与粒子束，2006，1 8(9)：1443～1445．

致 谢

非常感谢指导老师卢利权的谆谆教导与悉心关怀，卢老师在我大学的毕业设计阶段给我的指导，从最初的定题到资料收集，到写作、修改，再到论文定稿，给我的耐心指导和无私帮助让我深表感激。卢老师渊博的知识、敏锐活跃的学术思路、严谨的治学态度、刻苦的

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钻研精神及平易近人的育人风貌都给我留下了深刻的印象，使我受益终身。在此，谨向老师表示衷心的感谢和深深的敬意！

论文还得到了本专业其他老师的悉心指导和帮助，使我受益匪浅，在此表示深深的感谢！

本文还得到了同学的大力协助和指导，四年并肩学习使我们结下了深厚的友谊，在此对他们给予我的诸多帮助表示由衷的谢意！

最后，对能在百忙之中抽出宝贵时间参与论文评审和答辩的各位老师、专家和教授表示感谢！

再一次感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、亲人和朋友！

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毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期：

使用授权说明

本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名： 日 期：

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名： 日期： 年 月 日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名： 日期： 年 月 日

导师签名： 日期： 年 月 日

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致 谢

时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。

首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。

首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。

其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。

另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。

最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。

致 谢

四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。

回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。

学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。

在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。

最后，我要特别感谢我的导师刘望蜀老师、和研究生助教吴子仪老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。

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毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期：

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本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名： 日期： 年 月 日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名： 日期： 年 月 日

导师签名： 日期： 年 月 日

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独 创 声 明

本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名: 二〇一〇年九月二十日

毕业设计（论文）使用授权声明

本人完全了解**学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。 本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。

（保密论文在解密后遵守此规定）

作者签名: 二〇一〇年九月二十日

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基本要求：写毕业论文主要目的是培养学生综合运用所学知识和技能，理论联系实际，分析，解决实际问题的能力，使学生得到从事本专业工作和进行相关的基本训练。毕业论文应反映出作者能够准确地掌握所学的专业基础知识，基本学会综合运用所学知识进行科学研究的方法，对所研究的题目有一定的心得体会，论文题目的范围不宜过宽，一般选择本学科某一重要问题的一个侧面。

毕业论文的基本教学要求是：

1、培养学生综合运用、巩固与扩展所学的基础理论和专业知识，培养学生分析、解决实际问题能力、培养学生处理数据和信息的能力。2、培养学生正确的理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度。3、培养学生进行社会调查研究；文献资料收集、阅读和整理、使用；提出论点、综合论证、总结写作等基本技能。

毕业论文是毕业生总结性的作业，是学生运用在校学习的基本知识和基础理论，去分析、解决一两个实际问题的实践锻炼过程，也是学生在校学习期间学习成果的综合性总结，是整个教学活动中不可缺少的重要环节。撰写毕业论文对于培养学生初步的科学研究能力，提高其综合运用所学知识分析问题、解决问题能力有着重要意义。

毕业论文在进行编写的过程中，需要经过开题报告、论文编写、论文上交评定、论文答辩以及论文评分五个过程，其中开题报告是论文进行的最重要的一个过程，也是论文能否进行的一个重要指标。

撰写意义：1.撰写毕业论文是检验学生在校学习成果的重要措施，也是提

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高教学质量的重要环节。大学生在毕业前都必须完成毕业论文的撰写任务。申请学位必须提交相应的学位论文，经答辩通过后，方可取得学位。可以这么说，毕业论文是结束大学学习生活走向社会的一个中介和桥梁。毕业论文是大学生才华的第一次显露，是向祖国和人民所交的一份有份量的答卷，是投身社会主义现代化建设事业的报到书。一篇毕业论文虽然不能全面地反映出一个人的才华，也不一定能对社会直接带来巨大的效益，对专业产生开拓性的影响。但是，实践证明，撰写毕业论文是提高教学质量的重要环节，是保证出好人才的重要措施。

2.通过撰写毕业论文，提高写作水平是干伍“四化”建设的需要。党要求，为了适应现代化建设的需要，领导班子成员应当逐步实现“化、年轻化、知识化、专业化”。这个“四化”的要求，也包含了对干部写作能力和写作水平的要求。

3.提高大学生的写作水平是社会主义物质文明和精神文明建设的需要。在新的历史时期，无论是提高全族的科学文化水平，掌握现代科技知识和科学管理方法，还是培养社会主义新人，都要求我们的干部具有较高的写作能力。在经济建设中，作为领导人员和机关的办事人员，要写指示、通知、总结、调查报告等应用文；要写说明书、广告、解说词等说明文；还要写科学论文、经济评论等议论文。在当今信息社会中，信息对于加快经济发展速度，取得良好的经济效益发挥着愈来愈大的作用。写作是以语言文字为信号，是传达信息的方式。信息的来源、信息的收集、信息的储存、整理、传播等等都离不开写作。

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论文种类：毕业论文是学术论文的一种形式，为了进一步探讨和掌握毕业论文的写作规律和特点，需要对毕业论文进行分类。由于毕业论文本身的内容和性质不同，研究领域、对象、方法、表现方式不同，因此，毕业论文就有不同的分类方法。

按内容性质和研究方法的不同可以把毕业论文分为理论性论文、实验性论文、描述性论文和设计性论文。后三种论文主要是理工科大学生可以选择的论文形式，这里不作介绍。文科大学生一般写的是理论性论文。理论性论文具体又可分成两种：一种是以纯粹的抽象理论为研究对象，研究方法是严密的理论推导和数算，有的也涉及实验与观测，用以验证论点的正确性。另一种是以对客观事物和现象的调查、考察所得观测资料以及有关文献资料数据为研究对象，研究方法是对有关资料进行分析、综合、概括、抽象，通过归纳、演绎、类比，提出某种新的理论和新的见解。

按议论的性质不同可以把毕业论文分为立论文和驳论文。立论性的毕业论文是指从正面阐述论证自己的观点和主张。一篇论文侧重于以立论为主，就属于立论性论文。立论文要求论点鲜明，论据充分，论证严密，以理和事实服人。驳论性毕业论文是指通过反驳别人的论点来树立自己的论点和主张。如果毕业论文侧重于以驳论为主，批驳某些错误的观点、见解、理论，就属于驳论性毕业论文。驳论文除按立论文对论点、论据、论证的要求以外，还要求针锋相对，据理力争。

按研究问题的大小不同可以把毕业论文分为宏观论文和微观论文。凡届国家全局性、带有普遍性并对局部工作有一定指导意义的论文，称为宏观论文。

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它研究的面比较宽广，具有较大范围的影响。反之，研究局部性、具体问题的论文，是微观论文。它对具体工作有指导意义，影响的面窄一些。

另外还有一种综合型的分类方法，即把毕业论文分为专题型、论辩型、综述型和综合型四大类：

1．专题型论文。这是分析前人研究成果的基础上，以直接论述的形式发表见解，从正面提出某学科中某一学术问题的一种论文。如本书第十二章例文中的《浅析领导者突出工作重点的方法与艺术》一文，从正面论述了突出重点的工作方法的意义、方法和原则，它表明了作者对突出工作重点方法的肯定和理解。2．论辩型论文。这是针对他人在某学科中某一学术问题的见解，凭借充分的论据，着重揭露其不足或错误之处，通过论辩形式来发表见解的一种论文。3．综述型论文。这是在归纳、总结前人或今人对某学科中某一学术问题已有研究成果的基础上，加以介绍或评论，从而发表自己见解的一种论文。4．综合型论文。这是一种将综述型和论辩型两种形式有机结合起来写成的一种论文。如《关于中国民族关系史上的几个问题》一文既介绍了研究民族关系史的现状，又提出了几个值得研究的问题。因此，它是一篇综合型的论文。

写作步骤：毕业论文是高等教育自学考试本科专业应考者完成本科阶段学业的最后一个环节，它是应考者的 总结 性作业，目的在于总结学习专业的成果，培养综合运用所学知识解决实际 问题 的能力。从文体而言，它也是对某一专业领域的现实问题或 理论 问题进行 科学 研究 探索的具有一定意义的论说文。完成毕业论文的撰写可以分两个步骤，即选择课题和

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研究课题。

首先是选择课题。选题是论文撰写成败的关键。因为，选题是毕业论文撰写的第一步，它实际上就是确定“写什么”的问题，亦即确定科学研究的方向。如果“写什么”不明确，“怎么写”就无从谈起。

教育部自学考试办公室有关对毕业论文选题的途径和要求是“为鼓励理论与工作实践结合，应考者可结合本单位或本人从事的工作提出论文题目，报主考学校审查同意后确立。也可由主考学校公布论文题目，由应考者选择。毕业论文的总体要求应与普通全日制高等学校相一致，做到通过论文写作和答辩考核，检验应考者综合运用专业知识的能力”。但不管考生是自己任意选择课题，还是在主考院校公布的指定课题中选择课题，都要坚持选择有科学价值和现实意义的、切实可行的课题。选好课题是毕业论文成功的一半。

第一、要坚持选择有科学价值和现实意义的课题。科学研究的目的是为了更好地认识世界、改造世界，以推动社会的不断进步和发展 。因此，毕业论文的选题，必须紧密结合社会主义物质文明和精神文明建设的需要，以促进科学事业发展和解决现实存在问题作为出发点和落脚点。选题要符合科学研究的正确方向，要具有新颖性，有创新、有理论价值和现实的指导意义或推动作用，一项毫无意义的研究，即使花很大的精力，表达再完善，也将没有丝毫价值。具体地说，考生可从以下三个方面来选题。首先，要从现实的弊端中选题，学习了专业知识，不能仅停留在书本上和理论上，还要下一番功夫，理论联系实际，用已掌握的专业知识，去寻找和解决工作实践中急待解决的问题。其次，要从寻找科学研究的空白处和边缘领域中选题，科学研

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究。还有许多没有被开垦的处女地，还有许多缺陷和空白，这些都需要填补。应考者应有独特的眼光和超前的意识去思索，去发现，去研究。最后，要从寻找前人研究的不足处和错误处选题，在前人已提出来的研究课题中，许多虽已有初步的研究成果，但随着社会的不断发展，还有待于丰富、完整和发展，这种补充性或纠正性的研究课题，也是有科学价值和现实指导意义的。

第二、要根据自己的能力选择切实可行的课题。毕业论文的写作是一种创造性劳动，不但要有考生个人的见解和主张，同时还需要具备一定的客观条件。由于考生个人的主观、客观条件都是各不相同的，因此在选题时，还应结合自己的特长、兴趣及所具备的客观条件来选题。具体地说，考生可从以下三个方面来综合考虑。首先，要有充足的资料来源。“巧妇难为无米之炊”，在缺少资料的情况下，是很难写出高质量的论文的。选择一个具有丰富资料来源的课题，对课题深入研究与开展很有帮助。其次，要有浓厚的研究兴趣，选择自己感兴趣的课题，可以激发自己研究的热情，调动自己的主动性和积极性，能够以专心、细心、恒心和耐心的积极心态去完成。最后，要能结合发挥自己的业务专长，每个考生无论能力水平高低，工作岗位如何，都有自己的业务专长，选择那些能结合自己工作、发挥自己业务专长的课题，对顺利完成课题的研究大有益处。

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致 谢

这次论文的完成，不止是我自己的努力，同时也有老师的指导，同学的帮助，以及那些无私奉献的前辈，正所谓你知道的越多的时候你才发现你知道的越少，通过这次论文，我想我成长了很多，不只是磨练了我的知识厚度，也使我更加确定了我今后的目标：为今后的计算机事业奋斗。在此我要感谢我的指导老师——***老师，感谢您的指导，才让我有了今天这篇论文，您不仅是我的论文导师，也是我人生的导师，谢谢您！我还要感谢我的同学，四年的相处，虽然我未必记得住每分每秒，但是我记得每一个有你们的精彩瞬间，我相信通过大学的历练，我们都已经长大，变成一个有担当，有能力的新时代青年，感谢你们的陪伴，感谢有你们，这篇论文也有你们的功劳，我想毕业不是我们的相处的结束，它是我们更好相处的开头，祝福你们！我也要感谢父母，这是他们给我的，所有的一切；感谢母校，尽管您不以我为荣，但我一直会以我是一名农大人为荣。

通过这次毕业设计，我学习了很多新知识，也对很多以前的东西有了更深的记忆与理解。漫漫求学路，过程很快乐。我要感谢信息与管理科学学院的老师，我从他们那里学到了许多珍贵的知识和做人处事的道理，以及科学严谨的学术态度，令我受益良多。同时还要感谢学院给了我一个可以认真学习，天天向上的学习环境和机会。

即将结束*大学习生活，我感谢****大学提供了一次在**大接受教育的机会，感谢院校老师的无私教导。感谢各位老师审阅我的论文。

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