激光粉末床熔融（LPBF）是钴基高温合金复杂构件整体制造的理想方法。ECY768是一种性能优异的新型钴基高温合金，但目前LPBF成形ECY768合金的研究还十分匮乏。研究了LPBF成形ECY768钴基高温合金的冶金缺陷、显微组织和基础力学性能。结果表明：LPBF成形ECY768合金的冶金缺陷主要为气孔、未熔合和热裂纹；通过调整激光体能量密度等工艺参数，可实现无裂纹、高致密（孔隙率<0.5%）ECY768合金成形。LPBF成形ECY768合金的显微组织为以柱状晶为主的“柱状晶+等轴晶”混合组织，总体上呈一定的“〈0 0 1〉/构建方向”择优取向；晶粒内部具有细密的胞状亚晶结构，胞晶边界不仅分布有胞状位错网络，还分布有球状MC型和条带状M₂₃C₆型两类纳米级碳化物析出相。在优选工艺参数下，LPBF成形ECY768合金的屈服强度为1002 MPa（构建方向）/1267 MPa（垂直构建方向），远高于铸造或LPBF成形的其他主要钴基高温合金；延伸率为10.5%（构建方向）/13.3%（垂直构建方向），与铸造或LPBF成形的其他主要钴基高温合金基本相当。优良的致密度、细密的胞状亚晶结构、纳米碳化物的大量析出及其与位错网络的相互作用是LPBF成形ECY768合金具有优异力学性能的关键。

研究了激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术成形新型定向凝固镍基高温合金ZGH451的致密化行为、显微组织和凝固晶粒取向。结果表明：未熔合和凝固裂纹是主要冶金缺陷；通过增大激光功率、减小扫描间距和扫描速度，可以有效消除未熔合缺陷；在激光功率150 W、扫描层厚0.02 mm、扫描速度600~800 mm/s、扫描间距0.06~0.08 mm的工艺窗口内，可以获得无裂纹、高致密（致密度为99.9%）样品，其凝固组织主要由基本沿构建方向定向生长的柱状晶构成，具有典型的微细枝晶显微组织，一次枝晶间距小于1 μm，二次枝晶不发达。枝晶间存在TiC和TaC颗粒析出，未观察到明显的γ/γ'共晶。样品呈现出一定的定向凝固特性，［001］织构明显，但相邻熔道搭接区域内仍有复杂热流产生的大取向差柱晶。样品力学性能优异，其屈服强度与传统定向凝固工艺制备的第三代单晶高温合金相当。研究结果证实了采用LPBF技术成形定向凝固ZGH451镍基高温合金的可行性。

铝合金液冷板是航空航天、**等领域电子设备的重要散热零件，一般具有微细流道和复杂的外形，非常适合采用激光选区熔化（SLM）增材制造技术整体成形。为提升液冷板的整体成形效率，研究了1 kW高功率激光SLM成形铝合金的致密化行为、显微结构、力学性能以及微孔的最小孔径。结果表明：随着激光体能量密度增加，SLM成形AlSi10Mg试样的致密度先提升后趋于稳定；成形高致密（致密度>99.5%）试样所需的激光体能量密度为47.6~200 J/mm³；成形试样的显微组织由总体上呈〈100〉择优取向的α-Al基体和网状共晶Si组成；在晶界强化、固溶强化和第二相强化的共同作用下，成形试样的抗拉强度、屈服强度、延伸率分别达到（433±10） MPa、（267±8） MPa、（5.5±0.5）%，均超过同牌号压铸件；在高功率SLM成形条件下，水平与竖直伸展微孔的最小孔径分别为0.6 mm和0.4 mm，可以满足大部分微细流道的设计与成形需求。依托基础工艺研究，本文利用高功率SLM技术实现了液冷板局部模拟样件的快速成形，成形效率可达到75.6 cm³/h。

为了研究激光选区金属化技术中，激光与尖晶石型化合物的相互作用机理，选用质优价廉、具有尖晶石结构的可见光和近红外光敏催化物质羟基磷酸铜（Cu2(OH)PO4）作为研究对象，利用X射线光电子能谱技术，探讨了波长为1064nm纳秒脉冲光纤激光、连续光纤激光和波长为355nm的纳秒脉冲紫外激光与羟基磷酸铜的相互作用机理。结果表明，3种激光都能将羟基磷酸铜中的+2价铜元素（Cu2+）还原为+1价铜元素（Cu+），但还原过程随激光功率（0.13W~3.89W）或激光能量密度（2.76J/cm2~25.48J/cm2）的变化呈现不同的规律;结合羟基磷酸铜的热性能分析和紫外可见光吸收光谱分析，初步判断，在上述还原过程中，可能同时存在光热反应和光化学反应。该研究为羟基磷酸铜作为一种新型的激光活性物质提供了理论基础。

为了实现玻璃表面的金属化, 运用激光诱导等离子体沉积技术, 选用廉价易维护且波长为1064nm的红外纳秒光纤激光和T2铜靶材, 在透明材料普通硅酸盐玻璃表面直接沉积出了金属铜, 并对其进行了光学显微镜和扫描电镜表征。结果表明, 在一定的激光能量密度范围内(沉积阈值能量密度12.50J/cm2~激光器所能达到的最大能量密度27.13J/cm2), 随着激光能量密度的增加, 沉积在玻璃表面的铜颗粒数量增加; 而在激光能量密度一定(27.13J/cm2)的条件下, 若保持激光光斑的横向和纵向搭接率一致, 当光斑搭接率不小于50%时, 由于玻璃对激光的强烈吸收, 导致铜沉积失败; 当光斑搭接率在-20%~50%变化时, 沉积在玻璃表面的铜颗粒数量呈现先增加后减小的变化趋势。激光诱导等离子体沉积技术是一种可实现透明衬底材料表面金属化的便捷技术。

为了探究中厚板铝合金光纤激光切割工艺特性, 开展了光纤激光切割8 mm厚AA2219铝合金工艺实验, 系统研究了激光功率、切割速度、离焦量和辅助气压等工艺参数对切缝质量的影响。以根部挂渣高度和切缝下部分倾斜条纹区域所占板厚比例来表征切缝质量。实验结果表明, 激光功率和辅助气压是影响切缝质量的最主要的工艺参数, 当激光功率增大至5.4 kW、辅助气压取值范围增大至1100~1500 kPa时, 切缝挂渣量最少。最后, 为了进一步提高中厚度铝合金激光切割质量, 根据空气动力学原理, 利用流体力学模拟设计并制作了简易Laval喷嘴, 采用该喷嘴进行实验发现, 切缝表面倾斜条纹区域范围从0.5降至0.14, 而挂渣高度变化较小。

离焦量和激光能量的空间分布对激光加工质量有着重要的影响,通过调节扩束镜镜间距来满足不同加工材料对离焦量的不同需求是激光加工中常用的方法。通过使用ZEMAX软件分别在序列模式和非序列模式下对激光加工的光路系统进行建模,其中扩束镜是由双透镜组成的伽利略透射式系统,在仿真环境下测量了扩束镜不同镜间距和倾斜度对应的焦点位置和工作面光斑能量分布情况。结果表明:离焦量与镜间距变化量呈线性关系,离焦量随镜间距变化量的减小而减小;负离焦量随倾斜度的增大而增大。工作面上光斑的峰值功率随着扩束镜镜间距和倾斜度的增大而减小,镜间距改变带来的影响远大于倾斜度的影响。工作面上光斑位置的偏移量与倾斜角呈线性关系。光斑模式始终为基模高斯分布。实验测量了扩束镜不同镜间距下的离焦量和工作面光斑能量分布情况,实验结果与仿真结果较好得吻合。

到目前为止, 尚没有适用于大型金属材料试样元素偏析定量检测的有效方法。该研究将新兴的激光诱导击穿光谱(LIBS)技术应用于生铁中Si、Mn、Ti元素偏析的同步检测, 选取Si (288.16 nm)、 Mn (293.31 nm) 和Ti (334.94 nm)作为三种元素的定量分析谱线, 同时选取Fe (263.58 nm, 441.51 nm, 370.79 nm)分别作为三种元素的内标谱线, 使用内标法降低基体效应的影响。定标拟合系数R2分别为0.991 7、0.990 3和0.991 2, 因此证明LIBS适用于对生铁中Si、Mn、Ti元素的准确同步定量检测。随后将取自高炉的铁样切割为两个圆形的铁块, 用空间分辨的LIBS装置对样品表面进行面扫描分析并得出元素分布图, 基于元素分布图识别出Si、Mn、Ti元素的偏析区域并计算最大正偏析度和负偏析度。该研究证明了LIBS用于同步检测生铁中Si、Mn、Ti元素偏析的可行性, 同时也揭示了生铁中合金元素的偏析规律, 有利于加深对凝固过程元素迁移和分布的理解和认识。

为了实现普通硅酸盐玻璃表面的金属化,利用波长为355nm的脉冲紫外激光刻蚀粗化活化,并结合化学镀,在其表面局域制备出了导电金属铜层。研究了激光加工参量对玻璃表面微观形貌、粗糙度、刻蚀深度的影响规律,并在玻璃表面成功引入了钯元素。结果表明,当第1次紫外激光扫描速率为200mm/s、脉冲频率为100kHz、能量密度为27J/cm2~37J/cm2和填充间距在10μm左右时,玻璃表面可以获得的刻蚀深度在25μm~35μm之间,刻蚀区域的粗糙度Ra在6μm~7μm之间,此时玻璃不会开裂; 而第2次激光的能量密度在9J/cm2~11J/cm2之间时（其余参量不变）,钯元素的引入实现了化学镀铜,此时铜层和玻璃之间的平均结合强度可以达到10MPa以上,铜层的体积电阻率可以达到10-6Ω·cm数量级。这是一种具有局域选择性、无需掩模、低成本、高结合强度和良好导电性的玻璃表面金属化工艺。