شکل گیری ساختار دانه در حوضچه مذاب فرایند ذوب با لیزر با استفاده از روش میدان فازی شبیه سازی شده است. در این روش که ابتداً برای پیش بینی رشد یک دندریت ارائه شده است برای فصل مشترک مذاب و جامد ضخامتی در نظر گرفته می شود که سبب حفظ پیوستگی خواص و شار در عبور از روی آن خواهد شد. با تلفیق این روش و الگوریتم مونت کارلو مدل میدان فازی جدیدی تهیه شد که قادر به پیش بینی تحولات ریزساختاری در ساختارهای چند دانه ای است. در این مدل، جهت گیری دانه های مختلف توسط الگوریتم مونت کارلو تعیین می شود. علاوه بر مدل میدان فازی از روش سلولار اوتوماتا که فصل مشترک مذاب و جامد را مسطح در نظر می گیرد، نیز استفاده شد. سرعت رشد رأس دندریت بر حسب فوق تبرید در این روش از مدل میدان فازی استخراج شد. با توجه به کوچک بودن ابعاد لیزر و حوضچه مذاب ایجاد شده در مقایسه با کل ابعاد قطعه کار، انتخاب صحیح و درست ابعاد منطقه محاسبات می تواند نقش بسزایی در بهینه سازی و تعیین زمان کل محاسبات و حجم حافظه مورد نیاز و در نتیجه هزینه های تمام شده داشته باشد. در بخش اول این پایان نامه، سعی شده است تا با استفاده از معادلات حاکم بر انتقال حرارت در یک بعد، رابطه ای تحلیلی و ساده جهت محاسبه صحیح و بهینه ابعاد منطقه محاسبات بر حسب پارامترهای تأثیر گذار در فرایند ذوب با لیزر استخراج شود. در بخش دوم پایان نامه، با استفاده از تکنیکهای عددی تفاضل محدود و المان محدود، بصورت جداگانه مدل انتقال حرارت دو بعدی جهت شبیه سازی انتقال حرارت در فرایند جوشکاری با لیزر طراحی و تهیه شد. مدلهای آماده شده با مدلهای ریزساختاری میدان فازی و سلولار اوتوماتا تلفیق شد و دو مدل واحد جداگانه جهت پیش بینی ساختار دانه در فرایند ذوب با لیزر تهیه شد. اعتبار سنجی مدلهای تهیه شده به کمک مقایسه نتایج مدلها با نتایج گرفته شده از آزمایشات عملی بر روی دو فلز نیکل و تیتانیوم خالص تجاری صورت گرفت .

یکی از مشکلات اصلی جوشکاری ذوبی سوپرآلیاژهای پایه نیکلی، ترکیدگی ذوب شدگی در مرزدانه های ذوب شده ی haz آنها می باشد. روشهای ارزیابی شده برای پایش این ترکیدگی از موفقیت و کارکرد چندانی در حذف کامل ترکها برخوردار نمی باشند. در راستای افزایش مقاومت به ترکیدگی ذوب شدگی و ایجاد قابلیت استفاده از فلز پرکننده مشابه فلز پایه، روش جدیدی که شامل بهبود ریزساختار سطح قبل از فرآوری ذوبی بوسیله روش فرآوری همزن اصطکاکی می باشد، مورد ارزیابی قرار گرفت. سطح فلز پایه in738، بوسیله فرایند فرآوری همزن اصطکاکیِ معمول و همچنین همراه با پیشگرم لیزر، فرآوری گردید و حساسیت به ترکیدگی ذوب شدگی در ماده فرآوری شده و فلز پایه بوسیله ذوب لیزری مورد بررسی قرار گرفت. ترکیدگی شدیدی در haz ذوب لیزری فلز پایه ایجاد شده است در حالی که در ذوب لیزری ماده فرآوری شده هیچ گونه ترکیدگی مشاهده نگردید. دلایل این تغییر در حساسیت به ترکیدگی را می توان به ویژگیهای ریزساختاری فلز پایه و ماده فرآوری شده ارتباط داد. از این جهت ویژگیهای مختلف ریزساختاری فلز پایه و ماده فرآوری شده و دلایل ایجاد این ویژگیها، و رفتار اجزا مختلف ریزساختاری ماده فلز پایه و ماده فرآوری شده از جمله فازهای ثانویه و مرزدانه ها در haz ذوب لیزری مشخص گردید و در نهایت دلایل ایجاد تغییرات در حساسیت به ترکیدگی مورد بحث قرار گرفت. بر خلاف فلز پایه که دارای کسر حجمی زیادی از رسوبات ذوب شونده مانند ?? می باشد، مکانیزمهای ذوب شدگی ممکن در ماده فرآوری شده بسیار محدود می باشد. حذف ذوب شدگی ترکیبی رسوبات ?? در ماده فرآوری شده به علت ریز شدن اندازه این رسوبات (کمتر از 30 نانومتر) در مقایسه با فلز پایه (570 نانومتر) اثر قابل توجهی در عدم ترکیدگی ماده فرآوری شده حین ذوب لیزری دارد. اندازه دانه کم ماده فراوری شده (17 میکرومتر) در مقابل اندازه دانه درشت فلز پایه (190 میکرومتر) و کاهش جدایش، کاهش کسر حجمی ذرات ذوب شونده، کاهش حجم مذاب و پراکنده شدن ذرات ذوب شونده از جمله دلایل افزایش مقاومت به ترکیدگی ماده فرآوری شده می باشد. همچنین تاثیر عوامل مختلف بر ویژگیهای مذاب مرزدانه ای از قبیل ضخامت مذاب مرزدانه ای، قابلیت ترکنندگی آن، نحوه انجماد مجدد آن، تشکیل پیوسته یا ناپیوسته آن و ... در ماده فرآوری شده و فلز پایه مشخص گردید.

یکی از مشکلاتی که بشر از دیرباز با آن مواجه می باشد، مسئله تامین انرژی و چگونگی دستیابی به آن است. از آنجا که سوخت های فسیلی در حال اتمام هستند، از چند دهه قبل تامین انرژی از منابع تجدیدپذیر از جمله انرژی های خورشیدی، هسته ای، باد و ... به طور جدی مطرح شده و مورد تحقیق واقع شده است. انرژی خورشید منبع اولیه تامین انرژی زمین است. هزینه، عملکرد و سهولت استفاده از سیستم های انرژی خورشیدی برای جایگزینی و غلبه بر بازار سیستم های سنتی باید بهبود پیدا کند. به این منظور سلول های خورشیدی متکی بر نانو ساختارها و مولکول های رنگینه ای یک انتخاب مناسب است. از میان نیم رساناهای مختلف که در سلول های خورشیدی رنگینه ای بکار رفته اند tio2 به علت داشتن شکاف نواری پهن و پایداری بالا کابرد بیشتری دارد. نانو ساختارهای tio2 معمولا با روش های هیدروترمال، الکتروشیمیایی، سل- ژل و چندین روش دیگر سنتز می شوند. در این تحقیق، نانو ذرات tio2 با روش سل- ژل و نانو لوله ها و نانو میله های tio2 با روش هیدروترمال سنتز شده و تاثیر چندین پارامتر سنتز بر مورفولوژی، نوع و ریز ساختار نمونه ها به طور تجربی بررسی و گزارش شده است.

در پژوهش حاضر، نانومیله های روی اکسید به روش ساده ای تولید شد، که شامل هسته گذاری سیلار بر روی زیرلایه ی شیشه ای و رشد به روش انباشت حمام شیمیایی می باشد. اثر پارامترهایی از قبیل فرآیند خشک کردن، مقدار سورفکتانت تری اتانول آمین، مدت زمان واکنش در آب داغ و نسبت مولی zn:nh3 بررسی شد. با تغییر نسبت مولی، شکل نانوگل ها تغییر کرد. برای سورفکتانت مقدار بهینه ی 1/0 مولار و زمان بهینه در آب داغ 60 ثانیه به دست آمد. در این زمان و مقدار بهینه ، نانومیله های روی اکسید عمود بر زیرلایه و تقریباً هم راستا رشد نموده اند. جهت بهینه نمودن نانومیله ها، از روش لایه نشانی چرخشی برای هسته گذاری استفاده شد. نتیجه ی حاصل، رشد نانومیله هایی با حداکثر نظم و عمود بر روی زیرلایه بود. آنالیز پراش اشعه ی ایکس از نانومیله های روی اکسید، ساختار ورتزیت شش گوشی را نشان می دهد. این نتایج از تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی کاملا مشهود است.

آلیاژ سخت پوشی استلایت 6 با مقادیر مختلفی از تانتالم بصورت درجا بر روی زیرلایه های متفاوت لایه نشانی شد. فرآیند لایه نشانی با استفاده از لیزر nd:yag کم توان ضربانی و روش پیش نشانی پودر و همچنین لایه نشانی لیزر yt:yag فیبری پیوسته با توان بالا و روش پاشش از کنار همزمان پودرها اجرا گردید. به منظور مطالعه متغیرهای پالس تعریف نسبت ذوب برای فرآیند لیزرضربانی بر پایه فرضیه چگالی انرژی بازتعریف شده و متغیرهای بهینه برای دستیابی به حداکثر بهره وری ذوب بدست آمد. در راستای شناخت ساختار انجمادی پوشش، دانه بندی و بافت انجمادی پوشش استلایت 6 مورد مطالعه قرار گرفت و اثر پالسهای متوالی بر ریزساختار پوشش بررسی شد. علاوه بر این، ارتباط جهت گیری بلوری در فصل مشترک پوشش/زیرلایه و استحاله فازی حالت جامد در ناحی? متأثر از حرارت تعیین گردید. تانتالم به دلیل تمایل بالا به واکنش با کربن، تطبیق پذیری بالا با آلیاژهای پایه کبالت و خواص عالی کاربید آن به عنوان افزودنی و نیز روش سنتز درجا به منظور دستیابی با فصل مشترک سازگار و یکنواختی بیشتر انتخاب گردید. مقادیر مختلفی در بازه 0 تا 12 درصد وزنی تانتالم به آلیاژ استلایت 6 از طریق فرآیند لایه نشانی افزوده شد و اثر آن بر ریزساختار این آلیاژ تعیین گردید. مشاهدات نشان می دهند که با افزایش مقدار تانتالم علاوه بر کاربیدهای غنی از کروم با ساختار اورتورومبیک m7c3 که در آلیاژ استلایت 6 بدون تانتالم مشاهده می شود، کاربیدهای غنی از تانتالم mc نیز در نواحی بین دندریتی تشکیل می شوند. با افزایش بیشتر تانتالم، کاربیدهای m7c3 هگزاگونال نیز تشکیل می شوند. همچنین، دندریتهای غنی از کبالت در حضور تانتالم بسیار ریزتر می شوند. این تغییرات ریزساختاری دلیل افزایش سختی دمای محیط آلیاژ استلایت 6 حاوی تانتالم لایه نشانی شده با لیزر ضربانی و پیوسته می باشد. مقاومت به سایش نیز در محیط و دمای بالا (500 درجه سانتیگراد) برای پوشش های لایه نشانی شده با لیزر پیوسته اندازه گیری شد. نتایج نشان می دهد که افزودن هر مقدار تانتالم به استلایت 6، علیرغم افزایش سختی، اثر مخربی را بر مقاومت به سایش آلیاژ استلایت 6 در دمای اتاق و دمای 500 درجه سانتیگراد دارد و ارتباط بین ریزساختار و خواص مکانیکی توضیح داده می شود. همچنین دو روش لایه نشانی لیزری و ضربانی نیز مورد مقایسه قرار گرفتند و اثر نوع لیزر بر ریزساختار پوشش ها نیز مطالعه گردید.

در این کار، تئوری و تجربی لیزرهای دیسکی نازک جهت تولید مدهای غیرپراشی بسل-گاوس و متیو-گاوس را تحقیق کردیم. به این منظور، چندین نوع رزوناتور بر پایه اکسیکون از دیدگاه اپتیک هندسی و موجی طراحی، شبیه سازی و تفسیر شد. مسیرهای پایدار داخل رزوناتور: مقادیر ویژه، و بردارهای ویژه به طور تحلیلی بر حسب پارامترهای مختلف توصیف گردید. همچنین تلفات پراش رزوناتور در هر رفت- برگشت بر حسب پارامترهای هندسی آن تحلیل شد. تحلیل موجی و حل معادلات نرخ اتم های yb:yag نشان می دهد که پیکربندی پیشنهادی یک باریکه ی بسل- گاوس پرتوان با اندازه ی لکه ی کوچک می توتند تولید کند. در مرحله بعد، با انحراف از حالت تعادل آینه خروجی رزوناتور مدهای متیو - گاوس شبیه سازی شد. نتایج تجربی چیدمان فوق وجود مدهای ویژه غیرپراشی متیو _ گاوس را برای پیکربندی مذکور تأیید می کند. تحلیل جبهه های فازی از طریق حسگر شاک هارتمن نشان می دهد که تغییر شکل دیسک در اثر حرارت روی توان و پروفایل خروجی تاثیر می گذارد. نهایتاً برای رفع محدودیت فاصله میان ماده فعال و اکسیکون در سیستم های پمپاژ معمول، سیستم پمپاژ شبه طولی جدیدی ارائه گردید. به منظور دستیابی به انتقال موثرتشعشع پمپاژ،اثرات پارامترهای هندسی روی بهره پمپاژ این سیستم توصیف گردید. بر خلاف سیستم های پمپاژ سنتی، مزیت این سیستم در قابلیت بکارگیری چند ماژول به طور همزمان برای پمپاژیک تک دیسک است. جهت بکارگیری پیکربندی پیشنهادی در پمپاژلیزرهای دیسکی پرتوان، اثرات ترمواپتیکی شبه کاواک در توان های مختلف تحقیق شد.تحلیل ترمواپتیکی نشان می دهد که یک لوله نوری مرکب ساخته شده از الماس و yag می تواند اثرات حرارتی را بطور قابل ملاحظه ای کاهش دهد.

در این پایان نامه ویژگی های فیزیکی نانوشاره های مختلف به صورت تجربی مورد بررسی قرار گرفته اند. از نانوذرات اکسید آلومینیوم، اکسید روی و اکسید مس به عنوان ذراتی که به شاره های متداول افزوده می شوند استفاده شده است و آب نیز به عنوان شاره اصلی مورد بهره برداری قرار گرفته است. آماده سازی این نانوشاره ها به این ترتیب بوده که نانودرات بعد از وزن شدن برای به دست آوردن کسرحجمی معین در شاره اصلی با استفاده از همزن مکانیکی و سپس با استفاده از پراب اولتراسونیک در شاره پراکنده شده اند. ویژگی هایی مانند ویسکوزیته، چگالی، رسانندگی و ظرفیت گرمایی برای این نانوشاره ها در بازه دمایی °c 10 تا °c 60 مورد بررسی قرار گرفته است. اندازه گیری های انجام شده برای ویسکوزیته نشان می دهد که این پارامتر عموما و مستقل از نوع نانوذره پراکنده شده در شاره با افزایش کسر حجمی افزایش یافته و به صورت نمایی با دما کاهش می یابد که روابط همبستگی برای ویسکوزیته هریک از نانوشاره بر حسب دما استخراج شده است. چگالی نیز رفتاری مشابه ویسکوزیته دارد. اما برای پارامتری مانند رسانندگی الگوی مشخصی برای پیش بینی رسانندگی نانوشاره ها وجود ندارد و نتایج حاصل با مدل های نظری مقایسه شده اند. برای اندازه گیری ضریب انتقال حرارت همرفتی در نانوشاره ها یک سیستم انتقال حرارت در آزمایشگاه راه اندازی شده است که با به جریان انداختن شاره در آن و اعمال پتانسیل الکتریکی برای گرم کردن آن، می توان این ضریب را محاسبه نمود. برای ظرفیت گرمایی نانوشاره های مختلف روشی جدید با استفاده از داده های استخراج شده از سیستم انتقال حرارت پیشنهاد شده است که به سادگی و با اندازه گیری دمای شاره ورودی و خروجی می توان ظرفیت گرمایی شاره های متفاوت را اندازه گیری نمود. برای تایید این روش از داده های موجود در مراجع برای ظرفیت گرمایی آب استفاده شده و با مدل هایی که پیش از این برای ظرفیت گرمایی ارائه شده اند مقایسه شده است.

آلومینیوم آلیاژی 2024 یکی از آلیاژهای با استحکام بالاست که در صنایع هوا فضا، حمل و نقل و صنایع نظامی کاربرد فراوان دارد. این آلیاژ در گروه آلیاژهای جوش ناپذیر قرار دارد که کاربرد آنرا با محدودیت مواجه کرده است. در این تحقیق در ابتدا به بررسی شکل حوضچه جوش این آلیاژ در جوشکاری آن بوسیله لیزر nd:yag پالسی پرداخته شد و مشخص شد که قله توان عامل مهمی در تعیین شکل حوضچه است. سپس ترکهای انجمادی این آلیاژ مطالعه شدند. جوشکاری در دو نوع جوش تک پالس و جوش با هم پوشانی پالسها انجام گرفت. در جوشهای تک پالس اثر چگالی توان بر شدت ترکها بررسی شد و دیده شد که تشکیل ناحیه ستونی ، شدت ترکها را در فلز جوش افزایش می دهد. در جوشهای با هم پوشانی پالسها، با کاهش عامل هم پوشانی، تعداد ترکها کم شد در حالیکه طول میانگین این ترکها افزایش یافت که برای تبیین این پدیده ترک ها در این جوش به سه دسته تقسیم شدند و مکانیزم انتشار ترک در جوش لیزر پالسی بیان شد. مشاهدات نشان داد که در فصل مشترک هر نقطه جوش با فلز پایه، ترک ها از ناحیه ذوب جزئی شروع می شوند در حالیکه در فصل مشترک هر نقطه جوش با نقطه جوش قبل، در ناحیه ذوب جزئی ترکی بوجود نمی آید. علت این پدیده نیز دمای بالای نقطه جوش قبلی و همچنین تفاوت ریز ساختاری ناحیه ذوب جزئی در فلز پایه و فلز جوش شناخته شد. در مرحله بعد، جوشکاری با فلز پرکن و با سیم آلومینیوم 4043 انجام شد. در این فرآیند افزایش میزان سیم ورودی به هر پالس، افزایش میزان هم پوشانی پالس ها باعث کاهش شدت ترکها می شود. افزایش قله توان و همچنین افزایش انرژی ورودی به جوش اثر مشابهی بر روی ترکها ندارند. با افزایش قله توان ابعاد حوضچه افزایش می یابد که این امر سبب می شود که میزان رقت افزایش یافته و در نتیجه شدت ترک های انجمادی افزایش یابد در حالیکه با افزایش قله توان، میزان تنشهای حرارتی کمتر می شود و ترکیب حوضچه همگن تر می شود که این عوامل سبب کاهش ترکهای انجمادی جوش می شود. ترکهای انجمادی در این جوش ها عموما از پایین شروع می شوند که عدم یکنواختی ترکیب حوضچه جوش و بالا بودن تنش ها در پایین حوضچه می توانند از علل افزایش حساسیت به ترک در پایین حوضچه جوش باشند. در مرحله آخر جوشکاری لب به لب آلیاژ 2024 انجام شد که دیده شد افزایش فاصله بین دو صفحه در جهت کاهش حساسیت به ترک عمل می کند. این آزمایش ها بر اساس الگوریتم تاگوچی انجام شد و اثر میانگین پارامترها بر روی شدت ترکهای انجمادی و همچنین کیفیت جوش تعیین شد. با انجام آزمون کشش بر روی بهترین نمونه جوش لب به لب، نمونه کشش از فلز پایه شکست.