超薄光学零件由于径厚比大, 刚度低, 抛光上盘时容易产生较大变形, 影响其最终的面形精度。本文通过Ф50 mm×1 mm熔融石英玻璃的胶粘上盘实验, 结合有限元分析, 研究了不同上盘方式和固化顺序对零件变形的影响, 分析了变形产生机理。研究结果表明上盘变形主要由胶层内胶黏剂先后固化顺序引起, 和零件胶结面面形关联性不明显。此外, 由于固化顺序的随机性, 上盘变形是不对称、不规则的, 没有规律可循。基于弱化固化顺序影响的思路, 通过改变粘接方式, 将固持变形由整面上盘的1.88 μm减小到0.51 μm。采用该上盘方法对熔融石英玻璃薄片进行沥青抛光加工, 下盘后面形精度PV值达到0.46 μm, 有效地抑制了零件下盘后的面形恶化。本文研究有助于进一步揭示上盘固持变形的产生机理, 并对实际超薄光学零件加工具有一定指导作用。

基于分子动力学方法,对石英玻璃进行了三维的纳米划痕仿真,用来研究其纳米加工性能。采用熔融-淬火的办法建立了石英玻璃的模型,并通过观察模型的截面图,分析了在制备过程中内部微观孔隙的形成过程和原因。在仿真过程中,观察了石英玻璃的变化和孔隙周围原子的运动,得到了切削力的曲线,重点研究了内部的微观空隙对划痕过程的影响。仿真结果表明: 当石英玻璃冷却时,由于内部共价键的重组,会形成平均半径为0.25 nm的微观的孔隙,而且其降低了石英玻璃的纳米加工性能,使得切削力的曲线发生一定程度的波动。当磨粒划过表面后,会在表面以下形成厚度为2 nm的原子密集堆积区。由于稠密区的原子共价键键长的变化,失去了原有共价键的强度,所以会形成加工的损伤层。因此在对石英玻璃超精密加工时,应采用少量多次的加工方法来提高材料的加工性能。

提出了一种石英玻璃仿真模型的构建方法, 并应用分子动力学(MD)仿真结合纳米压痕实验对石英玻璃进行了纳米级加工性能的研究。通过计算石英玻璃模型的密度和纳米硬度, 验证了模型的准确性。对石英玻璃进行了纳米压痕实验, 得到了压痕曲线并观察了纳米压痕形貌。最后, 对纳米级压痕过程进行了仿真, 通过计算配位数研究了损伤层的形成及扩展机理。计算得到的石英玻璃模型的纳米硬度约为9.7~10.7 GPa, 密度约为2.28 g/cm3, 与实际测量结果基本一致。仿真结果表明: 石英玻璃有着稳定的塑性变形和少量的弹性变形, 且存在压痕的尺寸效应。当压头压下时会形成大量的原子稠密区, 失去原来共价键的强度, 形成损伤层;而表面形貌主要是由于压头向两侧挤压原子和压头的黏附作用形成的。仿真和实验结果都表明石英玻璃比较适合超精密加工。

采用连续Nd:YAG激光对Fe-Ni(质量分数为36%)合金进行单道扫描实验。借助金相显微镜观察焊缝截面形貌的几何特征。分析工艺参数(激光功率、扫描速度、离焦量、焊接角度以及热输入量)变化对焊缝截面几何特征的影响。结果表明：较大的负离焦量将导致大负余高的出现，减薄材料，不利于激光自熔焊；在离焦量不变的情况下，激光功率的提高较之减小扫描速度更有助于增大熔深；在使用热输入量(功率/扫描速度)作为复合表征量分析焊缝形貌时，应考虑上述激光功率与扫描速度之间的关系带来的影响。

利用5 kW横流连续CO2激光器在45#钢基体上熔覆 FeAl基合金及TiC硬质相增强FeAl基复合材料涂层,并研究了稀土氧化物La₂O₃对两种涂层显微结构和摩擦磨损性能的影响。结果表明添加稀土能够减少甚至消除FeAl基合金涂层中存在的孔洞,提高致密性,并能稳定、降低摩擦系数;添加质量分数1%的稀土对TiC硬质相增强FeAl基复合材料涂层的组织和摩擦性能影响不大。涂层的硬度和磨损形貌表明添加稀土对两种涂层硬度的影响不大,但能够使涂层表面的硬度值比较均匀一致,从而引起磨损表面的相对均匀与光滑。 FeAl基合金涂层的磨损机理为轻微的磨粒磨损,TiC硬质相增强FeAl基复合材料涂层的磨损机理为磨粒磨损与脆性剥离。

用Nd:YAG脉冲激光作为焊接热源,对殷钢材料Invar36分别进行了平板单道焊接试验和对焊试验,分析了工艺参数(激光功率、焊接速度、脉冲宽度和离焦量)变化对焊缝的表面形貌、熔宽以及熔透性的影响。检测了0.85 mm厚的殷钢薄板对焊接头的硬度、成分以及拉伸强度。结果表明:激光功率和脉宽是影响焊缝熔深、熔宽和热影响区面积的主要因素;扫描速度对焊缝表面的鱼鳞状条纹间距影响尤为明显;离焦量主要影响焊缝的宽度和熔透性;合理匹配工艺参数能够实现0.85 mm厚度薄板的对焊,并且获得形貌良好的焊缝。焊缝的组织成分没有发生明显变化,拉伸强度和基体强度相当,显微硬度略低于基体硬度。

利用Nd:YAG脉冲激光作为焊接热源，对殷钢材料Invar36进行了对焊实验，分析了工艺参数(激光功率、焊接速度、脉冲宽度和离焦量)变化对焊缝的表面形貌、熔宽以及熔透性的影响。对2 mm厚度的殷钢对焊接头的硬度变化进行了检测，同时对比分析了焊缝和基体的金相组织。结果表明,激光功率和脉宽是影响焊缝熔深、熔宽和热影响区大小的主要因素，激光焊接速度的选择范围相对较小，离焦量主要影响焊缝的宽度和熔透性，焊缝的组织成分没有发生明显变化，显微硬度略低于基体，焊缝处的金相组织为奥氏体柱状晶,并且呈现奥氏体晶粒粗化现象。