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。

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。

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。

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。