分别采用脉冲宽度为100 ns、3 ps激光对厚度为80 μm的Zr-21Cu-4Al-1Ti（ZT1）非晶合金进行切割试验，研究激光加工非晶合金的适应性。结果表明：纳秒激光加工的热效应明显，加工区域存在重铸、裂纹、飞溅等典型的热致缺陷，并且在外侧形成了较大范围的晶化区域，晶化区域的材料表面具有独特的纹理和颜色。皮秒激光可实现近“冷”加工，加工区域呈现非热熔性去除形貌，无重铸、裂纹、飞溅等热致缺陷，并且未发现晶化。在大气环境、多脉冲、高能量密度等条件下，纳秒、皮秒激光的加工区域均出现了不同程度的氧化。前者发生在整个热影响区表面，后者只发生在激光辐照区域。

非晶合金材料具有独特、优异的性能,一直受到科技界的高度关注。随着高端装备制造领域的发展以及关键器件需求的增加,应用激光制造技术进行块体非晶合金构件成形、材料表面非晶强化与微细加工的研究备受关注。本文通过综合国内外文献资料,对非晶合金激光制造技术领域的有关研究状况进行了全面总结,分别介绍了非晶合金激光增材制造、非晶合金激光焊接、激光表面非晶化、激光熔覆非晶涂层和非晶合金激光烧蚀加工等方法与技术,阐述了相关技术的原理、研究现状、应用领域及发展趋势,最后对非晶合金激光制造技术进行了总结与展望。

受成形尺寸小、晶化严重等行为的影响,非晶合金的应用受到一定限制。本文以纯锆为基板,采用选择性激光熔化成形技术制备了15 mm×15 mm×15 mm的块体Zr50Ti5Cu27Ni10Al8非晶合金,对其微观组织进行了分析研究,并利用有限元软件ANSYS对该块体非晶合金制备过程中的热效应进行了模拟。研究结果表明:成形试样主要由非晶相组成;由于结构弛豫和晶胚的累积,在热影响区的叠加区发生了晶化,晶化相为Al5Ni3Zr2。本研究为激光增材制备块体非晶合金提供了一种可能有效的方法。

为了研究激光增材制备非晶合金过程中熔池和热影响区的成形机制，利用有限元软件ANSYS，对激光增材制造技术的基础过程-激光快速熔凝Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶合金的热效应进行了数值模拟分析。结果表明，激光单点熔凝时，熔池的平均冷却速率为6.3×104K/s，热影响区的平均冷却速率为1.4×104K/s，远高于Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶合金的临界冷却速率1.5K/s，说明激光单点熔凝的热变化满足非晶合金的生长条件;激光单道熔凝过程中，熔池的平均冷却速率仍比较高,为2.11×102K/s，但热影响区的平均冷却速率较低，为74K/s，且热影响区会产生弛豫累积，可能造成一定程度的晶化。此研究为激光增材制备非晶合金材料提供热效应的理论基础。

利用功率为500 W的光纤激光器对晶态Ti47Cu38Zr7.5Fe2.5Sn2Si1Ag2合金基体进行了激光重熔实验，研究了不同工艺对熔池形貌及晶化的影响。结果表明，单道重熔的熔池内易获得非晶组织，且随着扫描速度减小，熔池形貌逐渐由球冠状向漏斗状转变。搭接重熔下，扫描宽度较大时重熔区内出现熔道搭接造成的热影响区晶化带; 扫描宽度较小时由于热累积效应显著，熔池展宽和扫描宽度接近，重熔区内基本为非晶态。面扫描过程中，由于热累积匙孔效应更突出，熔池熔深显著增大，熔池底部出现少量气孔。

采用脉冲激光点焊的方法, 对厚度为1.5 mm的锆基非晶合金实现了有效连接, 并研究了激光峰值功率、脉宽和离焦量及三者之间的交互作用对焊点表面直径、熔深和单个焊点承受最大载荷的影响, 基于响应面优化方法对焊接工艺参数进行优化, 建立焊点表面直径、熔深和单个焊点承受的最大载荷与激光峰值功率、脉宽和离焦量之间的数学模型, 对数值模型进行了验证。脉冲激光点焊厚度为1.5 mm的锆基非晶合的优化出工艺参数为峰值功率1.2～1.21 kW, 脉宽5.96～6.0 ms, 离焦量-1.78～-2.00 mm。在此焊接参数范围内, 焊点表面直径为0.892～0.895 mm, 熔深为2.479～2.514 mm, 单个焊点能承受的最大载荷为109.2～110.3 N。研究结果表明, 随焊接峰值功率和脉宽的增大, 焊点表面尺寸和熔深增加, 热影响区的晶粒尺寸增大。当热影响区出现纳米晶粒时, 单个焊点能承受的最大载荷呈增大趋势, 当晶粒长大至4 μm后, 单个焊点能承受的最大载荷呈减小趋势, 其原因为大晶粒的出现导致大量位错聚集, 成为微观裂纹源。离焦量主要影响熔深, 随着离焦量由-2.0 mm变化至-0.4 mm, 熔深逐渐减小, 而单个焊点能承受的最大载荷和表面尺寸变化较小。

采用结合双温模型的分子动力学的方法, 数值模拟了脉宽100 fs, 能量密度为40~200 mJ/cm2的飞秒激光与CuZr非晶合金的相互作用过程。低能量密度下, 靶材的烧蚀机制主要表现为机械破碎; 高能量密度下, 热机械蚀除和相爆炸共同存在于靶材的烧蚀过程, 随着能量密度的增加, 相爆炸成为主要蚀除机制。利用径向分布函数分析了CuZr非晶合金结构的无序性, 分析结果表明, 激光能量密度由80 mJ/cm2增加到120 mJ/cm2时, 飞秒激光与靶材相互作用过程中, 材料内部的原子保持着无序状态, 材料未发生明显晶化。

采用结合双温方程的分子动力学方法，数值模拟脉宽为200 fs，能量密度为30~45 mJ/cm2 的超快激光与CuZr非晶合金的相互作用过程。模拟结果表明：超快激光作用下CuZr 非晶材料中原子加热速度比普通晶态金属慢得多；作用过程内部应力的演化表现为首先产生拉应力；并且随着温度与应力的演化，靶材内部产生空泡，空泡的平均大小和数目都与能量密度直接相关；靶材的烧蚀机制表现为机械破损，且烧蚀深度随着能量密度增大而增加。研究结果有助于更深入地理解飞秒激光与非晶合金相互作用机理。

基于国产非晶态合金磁芯, 研制了采用可控硅开关、脉冲升压变压器、以及两级磁脉冲压缩网络的全固态激励电路系统, 并且应用于放电体积为29 cm3, 工作气压为100 kPa的电晕预电离小型TEA CO2激光器。讨论了提高系统能量传输效率和减小系统体积的设计方法, 并且测量了系统的工作性能以及各部分的能量损失。实验结果表明：磁脉冲压缩网络的能量传输效率大于83％, 全固态激励系统的总效率大于75％；连接激光器负载时, 输出脉冲的电压峰值约为22 kV, 电流上升时间约为100 ns；得到了脉冲能量109 mJ, 宽度70 ns的激光输出, 激光器整体效率约为3.3％。在目前的封离体积与气体循环方式限制下, 激光器最大重复频率约为100 Hz, 而激励电路部分可以达到400 Hz的工作频率。