为了探究飞秒激光加工SiC/SiC复合材料厚板的孔型特征, 采用光束同心圆填充扫描方式对厚度为4mm的SiC/SiC复合材料进行制孔实验, 分析了飞秒激光加工参数对入口直径、孔深、锥度等孔型特征的影响规律和影响机理。结果表明,脉冲能量、重复频率、线重合度以及扫描速率对小孔入口直径影响较小,但对孔深和锥度影响较大; 上述实验参数与光束扫描面积内的能量密度密切相关, 小孔锥度随能量密度增大而减小, 小孔深度则反之; 当采用最大脉冲能量130μJ、最大重复频率100kHz、最小扫描速率100mm/s、最大线重合度77%以及最小进给量0.1mm时, 小孔锥度达到最小值12.38°; 上层材料对光束的遮挡以及排屑困难导致深孔加工锥度不易控制。该研究可以为今后SiC/SiC超快激光制孔应用提供参考。

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。

飞秒激光加工具有脉冲作用时间短、峰值功率高、热影响区小的特点, 但在材料去除过程中仍然存在热累积效应。脉冲间的热累积效应对加工质量及热影响区均有直接影响。采用飞秒脉冲激光对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)进行扫描刻蚀试验, 运用三维传热模型对脉冲光斑作用区域温度场进行研究, 进而对飞秒激光的热累积效应进行探讨。结果表明：脉冲能量及重复频率对热累积的影响较为显著; 三维传热模型的计算结果与试验结果基本吻合, 对飞秒激光加工CFRP材料中的热累积效应控制具有指导意义。

针对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）,围绕1 064 nm皮秒激光加工方式改进和工艺参量调整,开展热损伤抑制试验。结果表明：沿纤维方向切割质量明显优于垂直方向,材料各向异性决定了热量主要沿纤维方向传递并向材料内部扩散。采用运动平台结合振镜扫描的复合切割方式优于传统方式,且适用于较厚材料加工。热损伤程度与激光功率、切割速度、扫描半径和填充间距等工艺参量密切相关,这是由脉冲能量密度及脉冲分散程度决定的。此外,切透材料后适当增加切割次数可进一步改善切割质量。工艺优化后,垂直于纤维方向复合切割2.1 mm厚试样,获得了极佳的切割质量,切缝表面无附着物、裂纹、孔隙等缺陷,材料内部热影响区宽度小于10 μm。

本文采用纳秒紫外激光对树脂基碳纤维复合材料表面进行激光预处理, 研究预处理参数对表面形貌和胶接件剪切强度的影响规律。利用电子显微镜、三维形貌分析仪以及表面接触角测量仪分别分析了激光预处理复合材料表面的显微形貌、粗糙度以及润湿特性, 并测试了激光预处理后复合材料胶接件的剪切强度。结果表明: 通过改变预处理参数(激光功率、扫描间距和扫描次数), 可以使复合材料表面呈现出不同的加工形貌, 改变表面粗糙度和接触角, 从而影响复合材料胶接件剪切强度。

为提高碳纤维增强树脂基复材(CFRP)加工质量和效率, 本文采用波长1 064 nm的Nd: YAG激光器对CFRP平板试样进行切割试验, 利用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪等仪器对加工后组织的显微形貌、元素成分进行了测试。结果表明, CFRP经激光加工后存在热变形、微孔洞、微裂纹等多种热损伤形式, 与母材相比热影响区内材料发生了脱氧碳化, 未发生氮化。激光切割质量与激光加工参数密切相关, 调节工艺参数可抑制但无法彻底消除热致损伤, 获得了激光高质量切割CFRP的工艺窗口: 脉冲宽度τ≤0.3 ms、脉冲频率f ≤30 Hz, 吹气压力Pa≥0.7 MPa, 扫描速度v≥100 mm/min, 激光功率P≤150 W。最后采用优化的工艺参数组合, 在保证切割效率的前提下, 获得了平均热影响区深度小于120 μm的切缝。

针对目前带热障涂层(TBC)叶片的难加工问题, 开展了皮秒激光加工热障涂层的试验。试验分别在三种扫描速度下(50 mm/s, 150 mm/s, 250 mm/s)使用不同单脉冲能量加工热障涂层。发现随着扫描速度的增大, 材料出现缺陷对应的最小单脉冲能量分别为120 μs, 280 μs和400 μs; 随着脉冲能量的增大, 热障涂层出现裂纹、崩边及脱落等缺陷越多。通过面积外延法, 计算三种扫描速度下多脉冲烧蚀阈值分别为1.17 J/cm2、2.72 J/cm2和4.45 J/cm2, 随着激光扫描速度的提高, 烧蚀阈值也随之增大。小脉冲能量去除热障涂层主要以雪崩电离为主, 当以较大脉冲能量去除时主要以多光子吸收为主, 当脉冲能量远大于烧蚀阈值时会在加工区域产生烧蚀潜热, 在材料加工区域边缘处因产生应力集中出现微裂纹、崩块和整块脱落的缺陷。

采用波长355 nm的纳秒激光对316L不锈钢进行表面微纳加工, 研究了微米级沟槽的尺寸控制、紫外激光加工热影响及改善加工质量的方法。结果表明, 选择合理的搭接间距、通过控制搭接个数和扫描次数可以实现微槽尺寸的精确控制。紫外激光加工金属的热影响很小, 不存在明显热扩散, 近加工区组织稳定。大气中紫外激光加工存在氧化, 氧化程度随着扫描次数的增大非线性提高, 且激光光束扫描边缘区域氧化程度高于中心区域。加工表面呈典型的液化喷溅形貌, 未加工表面容易附着熔化飞溅残渣。涂料、吹氮和酸洗可以去除附着在未加工区域的氧化飞溅物, 吹氮和酸洗还能去除加工区的溅落物, 并且降低表面氧化。