1 广东工业大学 机电工程学院, 广州 510006
2 东莞逸昊金属材料科技有限公司, 东莞 523686
为了优化非晶合金与晶体金属的激光焊接工艺, 运用最大平均功率300 W脉冲红外激光焊接锆基非晶合金Zr57Nb5Cu15.4Ni12.6Al10与440、304、17-4PH不锈钢。采用材料分析手段和力学测试方法对实验焊接接头的材料微观组织、成分组成以及力学性能进行了表征, 取得了合适的激光偏移量焊接工艺参数、焊接接头微观组织特性数据及其力学性能数据。结果表明, 激光焦点往不锈钢侧偏移0.2 mm~0.3 mm可以使焊接熔化均匀并有效提高抗弯强度, 通过合适的焊接工艺使非晶合金与17-4PH接头抗弯强度达339 MPa; 非晶合金与3种不锈钢的激光焊接接头主要分为熔化混合区与热影响区, 熔化混合区中发现了呈树枝状与颗粒状的结晶组织, 焊后通过低温退火可使抗弯强度提升14%~48%。此研究结果对扩大锆基非晶合金在各个领域的应用具有指导意义。
激光技术 焊接工艺 微观组织特性 锆基非晶合金 不锈钢 laser technique welding process micro-structure characteristic Zr-based bulk metallic glass stainless steel
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料科学与光电子工程中心，北京 100049
金属玻璃是在熔融状态下急速冷却降温形成的新型合金，它具有优异的物理、化学性能，在航空、化工、**等领域具有巨大的应用潜力。金属玻璃的制备工艺已经十分成熟，不同基底以及大尺寸块状金属玻璃的制备已经实现，但其高质高效的加工还面临许多问题。高温、高应变条件下，传统的加工方式容易使金属玻璃发生晶化和氧化，导致材料失去优异性能，使金属玻璃的应用受阻。近年来，随着超快激光器件的成熟，超快激光加工以其热效应小、加工精度高、不容易发生晶化和氧化等特点，为金属玻璃高质高效、低损耗加工提供了可能。同时针对超短脉冲激光与金属玻璃相互作用的机理也有了更加深入的研究。本文主要介绍金属玻璃的特殊性能、超短脉冲激光加工金属玻璃的机理及研究现状，并对超短脉冲激光加工金属玻璃存在的相关问题进行了总结和展望。
激光加工 金属玻璃 飞秒激光 晶化 氧化 激光与光电子学进展
2021, 58(15): 1516027
光子学报
2020, 49(10): 1031001
1 空军工程大学航空工程学院等离子体动力学重点实验室, 陕西 西安 710043
2 陕西省泾阳县医院骨科, 陕西 咸阳 713700
针对医用植入体材料锆基金属玻璃在应用中存在的生物兼容性问题,采用纳秒激光在金属玻璃试样表面诱导产生点阵和沟槽两种微纳结构,然后采用细胞活性测试、细胞分布和形态观察评价两种微纳结构对锆基金属玻璃生物兼容性的改善效果,并从表面形貌方面讨论激光表面改性对生物兼容性的改善机理。结果表明:相对于原始试样,激光诱导产生的沟槽结构能够显著增强成骨细胞在试样表面的黏附性和细胞活性,这主要归功于显著增加的表面粗糙度;点阵结构对细胞活性的改善效果不理想。除此之外,在沟槽试样表面,激光诱导产生的沟槽以及在沟槽内附着的微纳结构是成骨细胞在沟槽内部或附近沿着沟槽方向分布的主要原因。
激光技术 锆基金属玻璃 生物兼容性 纳秒激光 表面粗糙度 中国激光
2020, 47(11): 1102007
1 安徽建筑大学机械与电气工程学院, 安徽 合肥 230601
2 中国科学技术大学微纳米工程实验室, 安徽 合肥 230022
3 安徽省工程机械智能制造重点实验室, 安徽 合肥 230601
利用飞秒激光扫描医用锆基块体非晶合金表面制备直线结构,通过扫描电镜观察分析试样表面微观形貌变化,使用接触角测量仪测量加工前后及放置3个月后试样的接触角,并同时使用X射线光电子能谱仪对表面化学成分进行测量分析,最后利用电化学工作站测试其耐腐蚀性。从测试结果可以看出:加工前的锆基块体非晶合金表面表现出一定的亲水性,通过飞秒激光处理后,变为超亲水;在室内用密封袋封装3个月后,飞秒激光加工后的表面的接触角显著增大;测量加工前后样品腐蚀时的开路电压分别为-0.96 V、-0.93 V。经飞秒加工后的非晶合金开路电压更高,与未加工样品相比耐腐蚀性更强。实验结果表明:经飞秒激光表面处理后的非晶合金具有更好的亲水性和耐腐蚀性,增强了作为医用植入体在人体内的适用性。
激光光学 锆基块体非晶合金 飞秒激光加工 表面形貌 化学成分 亲水性 耐腐蚀性 激光与光电子学进展
2020, 57(11): 111409
西北工业大学 凝固技术国家重点实验室, 陕西 西安 710072
采用同步送粉方式激光立体成形Zr55Cu30Al10Ni5块体非晶合金, 研究了不同脉宽下(2.5, 5, 10 ms)激光立体成形块体非晶合金的晶化特征。实验结果表明, 3个试样熔覆层大部分为非晶态, 非晶基材上出现宽厚的晶化带, 而且熔池底部热影响区比熔池侧面热影响区晶化严重。由于粉末的氧含量比基材中的高, 5 ms和10 ms试样基材顶部晶粒团簇成片, 基材底部晶粒呈离散分布, 2.5 ms试样整个基材的晶粒为离散分布。单点能量密度一定时, 过长的脉宽可使热影响区的升降温速率减小, 晶化较严重。反之, 脉宽越短, 即使粉末氧含量较高, 晶化无明显恶化。
材料加工工程 非晶合金 晶化特征 激光脉宽 materials processing engineering metallic glass crystallization characteristic laser pulse duration
西北工业大学 凝固技术国家重点实验室, 陕西 西安 710072
采用脉冲激光重熔Zr55Cu30Al10Ni5块体非晶合金, 研究了脉冲激光频率对激光重熔块体非晶合金晶化行为的影响。实验结果表明, 对于给定的能量密度, 在脉冲频率低于一临界值时, 脉冲频率对晶化几乎没有影响。反之, 晶化程度随脉冲频率的增加迅速增加。采用有限元方法模拟了激光重熔非晶合金的温度场, 发现过高的脉冲激光频率会产生热累积效应, 进而对激光熔池热影响区的晶化行为产生重要影响。其中, 热累积效应的影响分为两种, 第一种是由于脉冲激光频率过高时, 受合金自身热扩散能力所限, 前后两个脉冲激光重熔所引起的熔池局域高温区发生重叠, 进而引起熔池局域过热。这种热累积效应只能靠降低频率来避免。第二种是试样周围的散热条件差, 在激光加工时使得材料整体升温而降低了冷却速度。这种热累积效应可以靠加强材料周围的散热来抑制。
激光技术 非晶合金 激光频率 热累积 laser technique metallic glass laser frequency heat accumulation
1 西北工业大学凝固技术国家重点实验室， 陕西 西安 710072
2 陕西省摩擦焊接工程技术重点实验室， 陕西 西安 710072
以商用纯锆为基材，采用激光立体成形技术分别沉积了单层和多层Zr55Al10Ni5Cu30非晶合金，并对沉积层及其基体界面区域的成分和组织结构进行了分析。结果表明，沉积层主要由非晶构成，晶化程度随着沉积层数的增加无显著增加；沉积层的晶化主要存在于每一层的热影响区，近层间和道间搭接部分晶化最为严重，并且层间的晶化比道间的更显著；沉积层与基体的结合方式为冶金结合，在基体和沉积层间存在一薄层过渡区，其最大厚度仅为35 μm，基体的成分稀释主要发生在此过渡区，并在过渡区出现了局部外延枝晶生长。
材料 非晶合金 激光立体成形 过渡层
1 西北工业大学凝固技术国家重点实验室, 陕西 西安 710072
2 上海交通大学材料学院, 上海 200240
通过脉冲激光重熔Zr55All 0Ni5Cu30非晶合金和Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶合金, 分析了具有不同玻璃形成能力的非晶合金热影响区晶化行为的差异。结果表明, 玻璃形成能力稍差的Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶合金比玻璃形成能力强的Zr55All 0Ni5Cu30非晶合金热影响区晶化严重。激光重熔Zr55Al10Ni5Cu30非晶合金4次后, 热影响区仅有稀疏的球状晶粒析出; 而激光重熔Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶合金1次时, 热影响区布满球状晶粒, 激光重熔4次后, 晶化晶粒长大明显, 且在球状晶粒的内部呈现树枝状放射生长形态。激光重熔热影响区非晶合金的晶化行为与该合金的玻璃形成能力密切相关。玻璃形成能力越高, 越有利于保持热影响区的非晶状态。
激光技术 非晶 激光重熔 热影响区 晶化
1 西北工业大学 凝固技术国家重点实验室,陕西 西安 710072
2 上海交通大学 材料学院,上海 200240
研究了块体Zr55Al10Ni5Cu30非晶合金在脉冲激光重熔下的组织演化行为。激光熔凝区始终保持非晶结构,热影响区(HAZ)在激光能量密度大或者扫描速度慢时晶化倾向大,扫描速度≥15 mm/s时可避免晶化,但发生结构弛豫过程。热影响区非晶部分晶化时,晶化为内部具有层状共生生长结构的球状晶粒,晶化尺度为微米级,晶化相由四方相Zr2Cu及面心立方相Zr2Ni组成。熔池底部位置的热影响区较熔池靠近表面边缘晶化严重。熔池底部热影响区的晶粒尺寸随远离熔凝区逐渐变小,且晶粒内部的层数在热影响区呈现靠近熔凝区侧多于靠近基材侧的趋势。
激光技术 非晶 激光重熔 热影响区 晶化
