飞秒激光加工是近年来微纳加工领域中一种重要的加工方法。飞秒激光不仅能够对材料进行表面改性、烧蚀，更具有在特定区域加工高精度三维结构的独特优势，飞秒激光加工在微纳加工领域有着广阔的应用前景。本文主要阐述了飞秒激光与金属相互作用的一般过程，介绍了飞秒激光直写加工、飞秒激光诱导产生表面周期性结构、飞秒激光复合化学方法等表面微纳结构的制备方法。然后，分别从环境工程、航空航天以及生物医学领域阐述了飞秒激光在金属表面制备微纳结构的应用。最后，对当前飞秒激光制备微纳结构的不足和未来研究方向进行总结和展望。

为了实现高强贝氏体钢零部件增材修复的目的, 采用激光粉末沉积+等温热处理的方法制备了一种中碳高强贝氏体钢, 其合金成分(质量分数)为Fe-0.0029C-0.0150Si-0.0150Mn-0.0096Cr-0.0120Ni-0.0100Al-0.0050Mo。使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪对贝氏体钢的微观组织进行表征, 采用拉伸试验机以及显微维氏硬度仪对材料的力学性能进行表征, 试样沉积后在280℃盐浴等温处理5h具备最佳综合性能, 平均显微硬度达到494.5HV, 抗拉强度达到1248MPa、屈服强度达到1037MPa, 延伸率达到14.5%。结果表明, 不同工艺参量试样微观组织均由贝氏体板条以及残余奥氏体组成, 且组织均匀, 无碳化物、偏析以及气孔夹杂等缺陷, 但等温时间过低以及等温温度过高都会导致组织性能劣化。该研究为高强零部件的增材修复提供了参考。

为提高海洋设施聚合物涂层表面的抗生物污损性能,以聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物为研究对象,采用皮秒激光直接刻蚀方法,在PDMS聚合物膜表面制备了单向微沟槽、网格微沟槽、微凹坑等不同微纳结构。利用激光共聚焦显微镜观察了试样表面粗糙度和微纳结构特征,利用接触角测量仪测量了去离子水在不同试样表面的静态接触角和动态接触角。研究分析了皮秒激光加工参数对三类微纳结构PDMS膜表面粗糙度、静态接触角和动态接触角的影响,获得了具有超疏水性和强脱附性的微纳结构PDMS膜表面的皮秒激光加工方法,即:在PDMS膜表面制备网格微沟槽或微凹坑类微纳结构,微单元间距为50 μm,皮秒激光加工工艺参数为激光能量密度1.536×10 14 W/m 2,激光扫描速率200 mm/s,激光重复加工5次。研究表明,利用皮秒激光刻蚀技术在 PDMS膜表面加工制备优化设计的微纳结构,可以改善表面的超疏水性和脱附性能。聚合物膜层表面微纳结构的皮秒激光刻蚀技术在预防海洋生物污损方面具有发展潜力。

无损检测技术是合金钢构件激光增材制造的重要技术支撑, 是保证激光增材制造产品质量和在役安全性的关键技术, 是贯穿产品全寿命安全保证的重要技术组成。金属激光增材制造合金钢件成形、组织和力学性能不同于传统技术制造构件性能, 使得无损检测技术面临诸多挑战。综述了激光增材制造合金钢成形质量特性, 包括成形缺陷和力学性能; 基于无损检测技术, 论述了无损检测技术在激光增材制造合金钢件质量评价中的应用, 重点论述了无损检测技术在激光增材制造构件缺陷和力学性能中的应用现状; 提出了基于超声和微磁检测技术评价材料力学性能的原理、标定方法和微磁传感器设计方案; 最后总结了无损检测评价技术在激光增材制造合金钢件检测评价应用中面临的挑战和发展趋势。

通过皮秒激光对304不锈钢表面进行刻蚀获得了光栅微纳结构,分析了该微纳结构的尺寸及该不锈钢的表面形貌,研究了不同激光加工参数对微纳结构的影响。结果表明,平均功率对激光烧蚀率及光栅微纳结构尺寸具有显著影响;增大扫描速率,光栅微纳结构深度减小,宽度基本保持不变,激光烧蚀率呈不规则波动;加工次数的增大则会减小激光烧蚀率。激光加工不锈钢表面制备微纳结构的较优工艺条件为高平均功率、较大扫描速率和小加工次数,在该工艺条件下微纳加工不锈钢表面获得了超疏水性能。

随着激光增材制造金属件的质量和性能的提高,金属粉体材料已成为金属激光增材制造技术应用的制约因素,激光增材制造专用金属粉体材料成为了近年来的研究热点之一。针对激光增材制造钢粉体材料,从材料设计、粉体制备、表征评价、样件实例等方面综述了激光增材制造钢粉体材料的国内研究现状,提出了激光3D粉体材料研究和应用中存在的主要问题及发展方向。

闭环控制系统在激光再制造工程中的应用, 对提高激光再制造产品形状尺寸精度以及成形控制过程自动化、智能化水平具有重要意义, 并具有广阔的发展空间。从闭环控制系统原理及结构出发, 对以熔池形状、3维尺寸、熔池温度、激光功率以及多信号联合等方式为监测方法的典型闭环控制系统进行分析, 同时就出光位置调整、送粉速率调节、激光功率控制等主要控制方法进行概述, 并从顶层设计、传感器精度、算法复杂度以及系统实时性和可靠性等方面对系统构建的关键性环节进行总结。在分析对比国内外激光再制造闭环控制系统研究进展及相关局限性基础上, 分析归纳系统构建难点, 指出了激光再制造闭环控制系统将向算法智能化、传感器集成化、控制参量综合化以及监测控制网络化的方向发展。

为了研究固态相变对马氏体钢激光熔覆成形过程应力演化的影响，建立了考虑降温过程马氏体相变的热-力耦合激光单道熔覆及多层多道堆积有限元模型。在实测材料物性参数的基础上，对单道熔覆及多层多道堆积应力演化进行了有限元分析。分析结果表明，马氏体相变对应力场演化影响显著，同只考虑热-力耦合的模型计算结果相比，考虑固态相变的情况下，有限元结果同实验值比较吻合，残余应力水平显著降低，且分布规律明显不同。

采用光纤激光对3 mm厚的7A52铝合金进行了焊接,用金相显微镜、扫描电镜、拉伸测试仪器、硬度计等分析测试手段,分析了焊接接头的微观分区组织及性能。结果表明: 采用优化后的工艺参数成功地采用光纤激光器对7A52铝合金进行了焊接,能够得到无明显缺陷的焊接接头,焊接接头由狭窄的热影响区、焊缝区以及母材三个区域组成,焊缝组织为细小的等轴晶组织,靠近熔合线附近的晶粒粗大;接头力学性能良好,拉伸试样均断裂在热影响区部位,接头的断口形貌显示混合型的断口特征。

针对扭曲薄壁结构类部件易发生体积损伤而造成工程损失的实际,以体积损伤压缩机叶片模拟件激光再制造成形为目标,通过表面形貌对比、稀释率及宽高比分析,选择优化工艺参数;以成形部位截面几何参量和激光成形形状参数为指标,采用斜坡预成形工艺,对再制造成形过程进行量化控制,实现异形曲面截面特征的体积损伤部位的激光再制造成形。采用金相显微观察和测量的试验方法,对成形部位缺陷及尺寸精度进行试验分析,试验结果表明: 成形部位无气孔、裂纹等缺陷,熔覆层与基体为致密的冶金结合,再制造成形部位热影响区较小,在2～3 mm之间,成形后模拟件宽度方向尺寸精度误差在2 mm之内,两侧斜面弯曲部分成形精度误差在3°以内,其主要形状控制参数均具有较高精度。