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电弧熔丝增材制造传热传质数值模拟研究现状与展望

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机械工程学报 2024年第8期60卷 65-80页

作者：张云舒吴斌涛赵昀丁东红潘增喜李会军宁夏大学材料与新能源学院银川750021 江苏自动化研究所连云港222006 南京工业大学机械与动力工程学院南京211816 伍伦贡大学机械、材料、机电与生物工程学院澳大利亚伍伦贡2522

电弧熔丝增材制造具有设备成本低、制造效率高等特点,在航空航天、舰船、武器装备等领域具备广阔的应用前景。在复杂热循环的条件下,电弧行为、熔滴过渡、熔池流动与凝固以及沉积内部热积累效应等因素的耦合作用是决定结构成形与质量的... 详细信息

电弧熔丝增材制造具有设备成本低、制造效率高等特点,在航空航天、舰船、武器装备等领域具备广阔的应用前景。在复杂热循环的条件下,电弧行为、熔滴过渡、熔池流动与凝固以及沉积内部热积累效应等因素的耦合作用是决定结构成形与质量的关键,也是实现控形控性的理论基础。基于电弧熔丝增材制造的物理过程数值模拟研究现状,综述了不同热源类型电弧增材制造工艺过程中的物理机制,揭示了不同沉积过程传热传质行为的内在关联与区别。在此基础上,概述了常见形貌缺陷的形成机理、影响因素与其抑制策略,总结了不同主动控热控形控性方法的机制与特点,探讨了当前电弧熔丝增材制造传热传质数值模拟过程中存在的主要问题,并对其未来发展应用提出了思考与建议。

关键词：电弧熔丝增材制造数值模型传热传质形貌缺陷控热控形控性

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极紫外光刻照明系统光瞳整形技术研究

中国激光 2024年第12期51卷 369-381页

作者：王鑫李中梁袁春晓中国科学院上海光学精密机械研究所高端光电装备部先进光源与系统研发中心上海201800 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049

照明系统是极紫外(EUV)光刻机的核心分系统,其主要作用是在掩模面实现均匀照明并在光瞳面实现多种照明模式。EUV光刻照明系统采用柯勒照明,并基于反射式双复眼镜的光瞳整形技术实现多种照明模式,如何获得双复眼镜的对位关系是实现光瞳... 详细信息

照明系统是极紫外(EUV)光刻机的核心分系统,其主要作用是在掩模面实现均匀照明并在光瞳面实现多种照明模式。EUV光刻照明系统采用柯勒照明,并基于反射式双复眼镜的光瞳整形技术实现多种照明模式,如何获得双复眼镜的对位关系是实现光瞳整形的核心问题。针对该问题开展光瞳整形技术研究,提出一种可快速获得复眼对位关系的算法。首先利用基于回溯法和禁忌搜索思想的复眼分组算法减小复眼对位复杂度,之后采用改进人工蜂群算法(IABC)进行复眼匹配,可快速得到满足掩模照明均匀性的匹配结果,通过复眼分组和匹配可得到不同照明模式的复眼对位关系。为了验证本文算法的有效性,在LightTools中进行建模和仿真,结果表明,该算法可在光瞳面实现多种照明模式并在掩模(共轭面)处实现高均匀性照明。

关键词：极紫外光刻反射式双复眼镜光瞳整形人工蜂群算法照明均匀性

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低维半导体微纳激光研究进展

中国激光 2024年第11期51卷 454-473页

作者：董红星常浩高新宇刘靓成浩东李欣洁于珂中国科学院上海光学精密机械研究所强激光材料重点实验室上海201800 国科大杭州高等研究院物理与光电工程学院浙江杭州310024

半导体微纳激光是纳米技术与纳米光子学交叉研究的前沿领域之一。利用光波长量级的光学谐振腔在光泵浦或电激励下实现激光输出,具有物理尺寸小、可高度集成、低阈值以及低功耗等优点。在未来光子器件、光学集成、光通信以及激光显示等... 详细信息

半导体微纳激光是纳米技术与纳米光子学交叉研究的前沿领域之一。利用光波长量级的光学谐振腔在光泵浦或电激励下实现激光输出,具有物理尺寸小、可高度集成、低阈值以及低功耗等优点。在未来光子器件、光学集成、光通信以及激光显示等领域具有广泛的应用前景。探讨了低维半导体微纳激光领域所取得的成果与研究进展,并对基于新型钙钛矿材料的微纳激光研究进行了总结概述,最后对低维微纳激光的发展前景进行了展望。

关键词：光学谐振腔钙钛矿材料微纳激光超快光学片上集成

基于有限元分析的钛合金椎弓根螺钉抗弯性能结构优化

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上海理工大学学报 2024年第3期46卷 310-319页

作者：赵虎刘岩杨金帅李强上海理工大学机械工程学院上海200093 上海高性能医疗器械材料工程技术研究中心上海200093

钛合金因其优异的力学性能和生物相容性,广泛用于椎弓根螺钉的制备。椎弓根螺钉植入人体后,受脊柱的屈曲伸展和横向弯曲作用,螺钉发生疲劳弯曲最终导致螺钉松动甚至断裂,影响植入稳定性。因此有必要对钛合金椎弓根螺钉抗弯性能进行研究... 详细信息

钛合金因其优异的力学性能和生物相容性,广泛用于椎弓根螺钉的制备。椎弓根螺钉植入人体后,受脊柱的屈曲伸展和横向弯曲作用,螺钉发生疲劳弯曲最终导致螺钉松动甚至断裂,影响植入稳定性。因此有必要对钛合金椎弓根螺钉抗弯性能进行研究。通过单因素实验与正交实验分析设计不同结构参数椎弓根螺钉,结合有限元分析与力学实验的方法,使用三点弯曲试验对钛合金椎弓根螺钉的抗弯性能进行模拟仿真与实验验证,并对螺钉结构参数进行优化。结果表明,模拟结果与实验结果吻合较好,螺钉结构参数对抗弯性能的影响顺序为外径大于螺纹深度大于螺距,最佳参数为螺钉外径5.5 mm、螺纹深度0.65 mm、螺距1.60 mm,优化后的螺钉对比标准椎弓根螺钉,最大支反力提高74.7%。

关键词：椎弓根螺钉三点弯曲测试有限元分析结构参数优化

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增材制造GH4169组织及高温性能研究

兵器材料科学与工程 2024年

作者：袁珂石瑶黄子琳曾佳敏王强中国航发湖南动力机械研究所

采用激光选区熔化成形（SLM）制备GH4169合金，研究不同取向试样的显微组织、高温拉伸和高温持久性能，并分析试样断口特征。结果表明：经热处理后，试样呈近等轴晶，沿晶界或晶内分布有M23C6、MC碳化物，纵向试样沿沉积方向存在择优取... 详细信息

采用激光选区熔化成形（SLM）制备GH4169合金，研究不同取向试样的显微组织、高温拉伸和高温持久性能，并分析试样断口特征。结果表明：经热处理后，试样呈近等轴晶，沿晶界或晶内分布有M23C6、MC碳化物，纵向试样沿沉积方向存在择优取向。横向和纵向试样高温拉伸和高温持久性能均达到了锻件水平，横向试样高温拉伸强度均高于纵向试样，但高温持久强度低于纵向试样，材料具有一定的各向异性现象。缺口试样性能差异规律与光滑试样相同，缺口处的应力集中效应使缺口试样比光滑试样表现出更高的强度。分布于晶界或晶内的碳化物成为裂纹萌生的起点、产生微孔的核心，微孔聚集、长大、连接直至断裂，微观断口未出现传统塑性材料断口上常见的大尺寸韧窝，仅呈现少量细小的韧窝，伴随大量的撕裂棱。

关键词：激光选区熔化 GH4169 显微组织高温拉伸高温持久

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HDR钢在海洋环境中的腐蚀行为

腐蚀与防护 2024年第10期 77-81页

作者：吴正江王博杨飞陈文锐李冬冬武汉第二船舶设计研究所中国机械总院集团武汉材料保护研究所有限公司

依据海洋设备的实际服役条件,采用腐蚀电化学测试、人造海水试验、三亚实海腐蚀试验等方法,研究了HDR钢在海洋环境中的腐蚀行为。结果表明:HDR钢在3.5%（质量分数）Na Cl溶液中的自腐蚀电位Ecorr为-0.151 6 V,腐蚀电流密度Jcorr为3.46×... 详细信息

依据海洋设备的实际服役条件,采用腐蚀电化学测试、人造海水试验、三亚实海腐蚀试验等方法,研究了HDR钢在海洋环境中的腐蚀行为。结果表明:HDR钢在3.5%（质量分数）Na Cl溶液中的自腐蚀电位Ecorr为-0.151 6 V,腐蚀电流密度Jcorr为3.46×10-7A·cm-2,极化曲线无钝化区;HDR钢在盐雾/干/湿交替循环试验中的腐蚀速率为0.369 0μm/a,在人造海水中的腐蚀速率为0.374 2μm/a,在三亚实海中的腐蚀速率从3个月时的0.91μm/a降至24个月时的0.08μm/a;综合评价HDR钢耐海水腐蚀性能优异,经过2 a实海腐蚀试验后,HDR钢主要发生了局部腐蚀,可作为现役材料40Cr、2Cr13的替换材料。

关键词： HDR钢舰艇海洋环境局部腐蚀

悬浮液等离子喷涂高效制备TiO_(2)涂层及其光催化性能

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表面技术 2024年第1期53卷 209-219页

作者：崔赛楠范秀娟尹辉俊李双建张小峰何春艳宋琛邓春明毛杰广西科技大学机械与汽车工程学院广西柳州200240 广东省科学院新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广州510650 广东省科学院新材料研究所广东省现代表面工程技术重点实验室广州510650 广东工业大学广州510006

目的解决TiO_(2)粉末催化剂在污水净化过程中易沉降和难回收问题,同时提高TiO_(2)在可见光条件下降解有机污染物的速率。方法采用悬浮液等离子喷涂(SPS)技术,以H2为辅助气体制备TiO_(2)涂层,借助H2将高温等离子体焰流中熔融态TiO_(2)中... 详细信息

目的解决TiO_(2)粉末催化剂在污水净化过程中易沉降和难回收问题,同时提高TiO_(2)在可见光条件下降解有机污染物的速率。方法采用悬浮液等离子喷涂(SPS)技术,以H2为辅助气体制备TiO_(2)涂层,借助H2将高温等离子体焰流中熔融态TiO_(2)中的Ti4+还原成Ti3+。通过场发射扫描电子显微镜、X射线衍射仪、X射线光电子能谱光谱仪、紫外-可见光谱仪等对TiO_(2)粉末以及所制备涂层的结构形貌、物相组成、元素价态、光学特性进行分析。以亚甲基蓝为目标污染物,使用光化学反应仪测试粉末和涂层的光催化性能。结果TiO_(2)涂层表面呈现由熔融和半熔融颗粒组成的“喀斯特”微观形貌,表面粗糙度为2.94μm,孔隙率为10.2%。TiO_(2)粉末物相为纯锐钛矿,涂层物相由锐钛矿、金红石相及TiO_(2)-x相组成。TiO_(2)涂层中Ti3+的存在使其带间隙减小0.6eV。在紫外光条件下,TiO_(2)粉末的催化速率为0.00348,而涂层的催化速率为0.00345。在可见光条件下,粉末的催化速率与亚甲基蓝的光解速率相近,涂层的催化速率是0.00307。结论通过SPS技术成功制备了TiO_(2)光催化涂层,其在可见光条件下的催化性能较粉末有显著提升。

关键词：悬浮液等离子喷涂 TiO_(2)涂层微观结构物相组成带间隙光催化性能

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飞秒激光液相烧蚀的超快观测展望(特邀)

中国激光 2024年第4期51卷 215-235页

作者：苏子康袁世龙李祥隆张学强北京理工大学机械与车辆学院激光微纳制造研究所北京100081 北京化工大学材料科学与工程学院北京100029

飞秒激光液相烧蚀技术具有局部、瞬时、超快、超强等典型极端制造特点,在精密加工和纳米材料合成领域展现了独特优势。然而,飞秒激光液相烧蚀是跨多时间、空间尺度,多物理化学现象耦合的复杂过程,现阶段研究缺乏全面有效手段、对机理理... 详细信息

飞秒激光液相烧蚀技术具有局部、瞬时、超快、超强等典型极端制造特点,在精密加工和纳米材料合成领域展现了独特优势。然而,飞秒激光液相烧蚀是跨多时间、空间尺度,多物理化学现象耦合的复杂过程,现阶段研究缺乏全面有效手段、对机理理解不足。简要介绍了飞秒激光液相烧蚀的基本过程和相关超快观测技术的发展历程,并进一步总结了超快观测技术在光丝、溶剂化电子、等离子体、气泡演化等过程中的应用。最后总结了飞秒激光液相烧蚀方法、观测和机理研究存在的问题,并基于现有问题对未来飞秒激光液相烧蚀中可能应用的超快观测技术进行了展望。

关键词：激光技术飞秒激光液相烧蚀极端制造泵浦探测超快动力学纳米颗粒

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冷原子微波频标的原理与发展

中国激光 2024年第11期51卷 325-341页

作者：魏荣李耀汪凌珂吕德胜中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室上海201800 中国科学院大学材料科学与光电子学技术学院北京100049 中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部上海201800

以原子喷泉为代表的冷原子微波频标近年来取得了飞速发展。基于激光冷却技术的喷泉钟通过原子的抛体运动实现Ramsey干涉,其鉴频谱线约1 Hz的窄线宽和优异的信噪比使得喷泉频标的长期稳定度和不确定度达到了10^(-16),其优异的稳定度指标... 详细信息

以原子喷泉为代表的冷原子微波频标近年来取得了飞速发展。基于激光冷却技术的喷泉钟通过原子的抛体运动实现Ramsey干涉,其鉴频谱线约1 Hz的窄线宽和优异的信噪比使得喷泉频标的长期稳定度和不确定度达到了10^(-16),其优异的稳定度指标也对振荡器提出了更高要求。基于光频标技术发展的光生微波可以实现10^(-15)的秒稳定度,从而使喷泉钟的稳定度达到了量子投影噪声极限。通过将性能优异的喷泉钟引入守时钟组,世界原子时的频率精度达到了约2×10^(-16)。除了地面应用外,冷原子频标还进入空间,获得了优异的性能指标,并将在导航定位和科学研究等领域发挥重要作用。中国科学院上海光学精密机械研究所在喷泉频标、光生微波等冷原子微波频标领域开展了系统研究,技术指标达到了国际先进水平,并实现了国际首台空间冷原子钟在轨运行。

关键词：时间频率喷泉频标稳定度 B类不确定度空间冷原子钟光生微波