基于Neumann边界条件建立了激光微造型的热学模型,分析了激光微造型过程中反射率、折射率与消光系数之间的关系,以及材料在不同温度和波长下的吸收率、表面蒸气压强、质量迁移率与成形效率,进一步研究了不同参数对激光微造型中热学模型、热应力与损伤阈值的影响,并采用扫描电镜和能谱仪对成形后的微凹坑进行分析,得到了微造型的成形机理。研究结果表明:为保证对激光能量的较低反射率R(例如<15%),当消光系数K在[0, 0.019]范围内时,材料的折射率n应在1~2.5范围内进行选择;波长越长,吸收率越小;温度越高,吸收率越大;激光半径、轴向距离与微凹坑深度越大,温度越低;脉宽越窄,蒸气压强越大,液态金属的迁移量越多。微凹坑成形效率经历了稳定不变、迅速上升与逐渐下降的三个阶段。进一步研究后发现,压应力是材料发生损伤的重要机制,且环向热应力是微凹坑直径扩展的主要因素,熔融损伤引起径向材料的熔化。在微造型过程中不仅生成了CuO与ZnO等氧化物,还出现了能量从1#区域向边缘3#区域逐渐减小的变化。

具有毛化凸点的金属零部件在工程中有广泛应用,精确控制毛化点形貌对实现精准控制相关零部件性能至关重要。以45钢为研究对象,采用二维轴对称模型仿真,探究脉冲激光作用下熔池内温度场、流体流向和流速的演变规律,据此研究毛化形貌形成的微观机理和动态过程。结果表明:在加热过程中,当表面温度低于临界温度时,切向应力为负,熔质流向熔池中心;当表面温度高于临界温度时,切向应力为正,熔质向边缘流动,最终在2个异向环流交界处形成对流零点;对于同种环流,切向应力越大,对应的流速峰值越大。超过临界温度后产生新环流,若环流流速较小,则削弱形貌变形量,若环流流速较大,则会在对流零点处产生异形形貌。

为了研究表激光织构化对机械零件接触面的摩擦性能影响, 采用Nd∶YAG脉冲激光在钢盘表面形成了具有一定直径、间距和密度的微坑型织构阵列, 在环/盘式摩擦试验机上进行了摩擦学性能测试。结果表明,微坑的深度和直径随脉冲次数增加而增大, 调整微坑参量(直径和间距)可以获得不同密度的织构阵列, 密度为8％~10%范围内的试样具有最低的摩擦因素(0.055~0.06)和磨损率(5.2×10-16m3/(N·m)); 通过曲线拟合, 得到摩擦磨损性能随织构密度变化的趋势。该研究获得了具有最佳摩擦学性能的参量, 能提高机械的使用效率和使用寿命。

钛合金具有优良的综合性能, 作为医用金属植入材料广泛应用于临床医学, 而在钛合金植入物表面进行微造型有助于提高钛合金的生物相容性。采用1064 nm波长的皮秒激光在钛合金(Ti-6Al-4V)表面进行微造型实验, 并验证微造型的生物相容性。设计正交实验, 通过扫描电子显微镜、扫描探针显微镜和共聚焦显微镜分析了样件表面形貌, 建立微造型几何尺寸与激光参数的关系, 确立了最优工艺参数, 完成钛合金微造型样件制备。进行了大鼠骨髓间充质干细胞培养和免疫荧光观察细胞骨架实验。实验表明, 微造型对细胞生长起到促进和引导作用。

以45#钢为研究对象，采用波长1064 nm 的脉冲激光在45#钢表面进行微凸起造型，利用扫描电子显微镜和三维形貌仪表征形貌。试验得到球冠状、墨西哥帽状和M 状形貌三种典型微凸起形貌。结合温度场以及气化反冲压力数值估算，系统研究了激光脉宽和峰值功率密度对微凸起形貌的影响规律，提出了一种火山口形貌形成的新机理。结果表明：微凸起形貌是激光与材料作用过程中热、力耦合作用的结果。中心凸起形貌由熔池内对流形成，峰值功率密度低，脉宽短，形成球冠状形貌。峰值功率密度越高、脉宽越大，所得中心凸台越高越细，演变为墨西哥帽状。当熔池中心温度超过材料沸点，材料气化形成的反冲压力，在熔池中心凸起顶端反压出凹陷，形成M 状形貌。该结论有助于控制脉冲激光毛化制造微凸起的微观形貌。

采用纳秒激光设备对灰铸铁表面进行激光喷丸微造型,制备出不同深度的微凹坑,通过对微造型前后试样表面的相关力学性能测试建立了激光能量与微造型特征(微凹坑深度、残余应力、纳米硬度、弹性模量)之间的对应关系,为获得能量加工参数的优化选择提供了依据。

采用脉冲激光在304不锈钢表面进行了微造型实验，并验证了微坑阵列的减摩效果。采用表面三维形貌仪和共聚焦显微镜，分析了脉宽、脉冲个数和辅助气体对微型貌的影响规律，建立了微造型几何尺寸与激光参数的关系。通过多功能摩擦磨损试验机进行了摩擦磨损实验，研究了在不同载荷和转速下微坑凸起对滑动摩擦性能的影响。实验发现，带有凸起的微造型试样有着更好的摩擦学性能。

为了研究非配合摩擦副工件不同表面形貌对表面摩擦性能的影响，根据非配合摩擦副的摩擦特性，采用连续激光加工方法，在试件表面上加工出网状分布的凹坑形貌以形成环形凸起形貌，将凹坑直径、加工区域占有率、平均深度等参量作为分析变量，对试样进行了表面形貌检测与摩擦磨损测试。结果表明，表面摩擦系数随着凹坑深度的增加而增大，达到增摩效果，微结构区域面积占有率对摩擦系数的影响不是很明显。

激光表面织构(LST)是一种广泛应用的表面微造型方法，然而其主要缺点是消融过程会导致材料熔化、断裂以及改变表面微观组织。基于激光冲击强化(LSP)技术在Al7075表面开展微凹坑造型研究，其特点是既能克服激光表面织构的缺点，又能继承激光冲击强化的优点。使用AxioCSM700真彩色共聚焦扫描显微镜和Vecco WYKO表面形貌仪观察微凹坑的几何形貌，用HXD-1000TMSC/LCD MH-VK双压头显微硬度计测量微凹坑的内部以及周围表面的硬度。实验结果表明，微凹坑的直径和深度随激光的脉冲能量、冲击次数、离焦量、约束层K9玻璃厚度的变化呈现一定的变化规律；微凹坑的影响区域，沿着凹坑径向方向硬度逐渐增加，中心位置硬度最大，这有利于提高材料的抗磨损能力。

鉴于激光表面微造型技术加工金属材料时会带来较严重的负面热效应，提出“单脉冲同点间隔多次”的激光微造型新方法。通过对运动控制卡与自制的调Q控制卡的软件编程，利用声光调Q技术及伺服控制,完成了运动控制系统与激光系统的协同控制，从而实现激光加工新方法。整个系统通过工控机集中控制，利用该方法能够高效率加工出微观或宏观的造型形貌，且能显著减少激光加工所带来的热效应负面影响。该控制系统可在摩擦副表面加工出优化设计的微观形貌。经实际加工验证，设备能够满足加工要求且能获得较好的微观形貌和表面质量。