第八讲Laserforming

1、 China University of Mining & Technology Laser formingLaser forming China University of Mining & Technology n激光是激光是20世纪以来，继原子能、计算机、世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀最快的刀”、 “最准的尺最准的尺”、“最亮的最亮的光光”。n它的亮度约为太阳光的它的亮度约为太阳光的100亿倍。亿倍。引述引述 China University of Mining & Technology u无线电波无线电

2、波波长从波长从几千米到几千米到0.3米米左右；左右；u微波微波波长从波长从0.3米到米到10-3米米；u红外线红外线波长从波长从10-3米到米到7.810-7米米；u可见光可见光这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。波波长从长从780380nm。u紫外线紫外线波长从波长从310-7米到米到610-10米米。这些波产生。这些波产生的原因和光波类似，常常在放电时发出。由于它的能量和的原因和光波类似，常常在放电时发出。由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当，因此紫外光的化学一般化学反应所牵涉的能量大小相当，因此紫外光的化学效应最强；效应最强；u伦琴射线伦琴射

3、线 这部分电磁波谱，波长从这部分电磁波谱，波长从210-9米到米到610-12米米。u射线射线是波长从是波长从10-1010-14米米的电磁波。这种不可的电磁波。这种不可见的电磁波是从原子核内发出来的，放射性物质或原子核见的电磁波是从原子核内发出来的，放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。反应中常有这种辐射伴随着发出。射线的穿透力很强，射线的穿透力很强，对生物的破坏力很大；对生物的破坏力很大；u激光激光波长波长10-17m。引述引述 China University of Mining & Technology n激光的理论基础起源于爱因斯坦激光的理论基础起源于爱因斯坦1917年提出

4、的年提出的“光与物质光与物质相互作用相互作用”:，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，同时将会辐射出与激发从高能级跳到（跃迁）到低能级上，同时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，产生弱光激发出强光的现象。它的光相同性质的光，产生弱光激发出强光的现象。n1958年，美国科学家肖洛（年，美国科学家肖洛（Schawlow）和汤斯）和汤斯（Townes）发现了：将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土）发现了：将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在

5、一起的强光。根据这一现象，他们提出了光。根据这一现象，他们提出了激光原理激光原理，即物质在受到，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，都会产生这种不与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，都会产生这种不发散的强光发散的强光-激光。他们为此发表了重要论文，并获得激光。他们为此发表了重要论文，并获得1964年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。 n1960年年7月月7日，梅曼宣布世界上第一台激光器诞生，方案日，梅曼宣布世界上第一台激光器诞生，方案是，利用一个高强闪光灯管，来激发红宝石，就是所谓的红是，利用一个高强闪光灯管，来激发红宝石，就是所谓的红宝石激光器。梅曼因而也成为世界上第一个

6、将激光引入实用宝石激光器。梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。领域的科学家。引述引述 China University of Mining & Technology 思考题思考题1 1、当光与物质相互作用时，将会同时出现、当光与物质相互作用时，将会同时出现的三个过程是什么？的三个过程是什么？2 2、实现大量原子的受激辐射而产生激光的、实现大量原子的受激辐射而产生激光的条件是什么？条件是什么？3 3、激光的分类？、激光的分类？4 4、激光对材料加工的过程及应用。、激光对材料加工的过程及应用。 China University of Mining & Technology 一、激

7、光的概念一、激光的概念 China University of Mining & Technology 1 1、LASERLASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)辐射的受激发射的光放大辐射的受激发射的光放大受激辐射的光放大受激辐射的光放大1964年按照钱学森建议将年按照钱学森建议将“光光受激辐射受激辐射”改称改称“激光激光” China University of Mining & Technology 2、受激辐射、受激辐射由受激辐射得到的放大了的光是相干光由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光称之

8、为激光. 原子中处于高能级原子中处于高能级 的电子的电子,会在外来光子会在外来光子(其频率其频率恰好满足恰好满足 )的诱发下向低能级的诱发下向低能级 跃迁跃迁, 并发并发出与外来光子一样特征的光子出与外来光子一样特征的光子, 这叫受激辐射这叫受激辐射.2E1E12EEh.1E2E.。2E1E 发光前发光前 发光后发光后hhh受激辐射的光放大受激辐射的光放大示意图示意图 China University of Mining & Technology 3、自发辐射、自发辐射 原子在没有外界干预的情况下原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发电子会由处于激发态的高能级态的高能级 自动跃迁到低能级

9、自动跃迁到低能级 , 这种跃迁称为自这种跃迁称为自发跃迁发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射。由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射。2E1EhEE12.1E2E发光前发光前.。2E1Eh发光后发光后自自发发辐辐射射 China University of Mining & Technology 同同光的自发发射和受激发射都是原子从高能级跃迁到低能级光的自发发射和受激发射都是原子从高能级跃迁到低能级而发射光子而发射光子;自发发射的光子射向四面八方，各光子之间的位相、偏振自发发射的光子射向四面八方，各光子之间的位相、偏振方向都是独立的，没有联系，普通光源的发射都是自发方向都是独立的，没有联

10、系，普通光源的发射都是自发发射发射;受激发射的光子与外来光子不但具有完全相同的发射方向受激发射的光子与外来光子不但具有完全相同的发射方向和频率，而且位相和偏振态也完全相同。这样，受激发和频率，而且位相和偏振态也完全相同。这样，受激发射过程就起到了增强入射光强度的作用；射过程就起到了增强入射光强度的作用；激光正是利用受激发射的这一特性，实现了光放大的目的，激光正是利用受激发射的这一特性，实现了光放大的目的，也就是说，激光就是由于受激发射而放大的光。也就是说，激光就是由于受激发射而放大的光。异异 China University of Mining & Technology 4、光吸收、光吸收 原

11、子吸收外来光子能量原子吸收外来光子能量 , 并从低能级并从低能级 跃迁跃迁到高能级到高能级 , 且且 , 这个过程称为光吸收这个过程称为光吸收. 2E1EhEE12h吸收后吸收后。.2E1Eh吸收前吸收前.1E2E受激吸收受激吸收 China University of Mining & Technology 当光与物质相互作用时，自发辐射、受激辐当光与物质相互作用时，自发辐射、受激辐射和受激吸收这三个过程是同时出现的，如射和受激吸收这三个过程是同时出现的，如何实现大量原子的受激辐射而产生激光何实现大量原子的受激辐射而产生激光? ?激光的激光的产生产生 China University of

12、Mining & Technology 二、形成激光的三个条件二、形成激光的三个条件 China University of Mining & Technology 1. 实现粒子数反转实现粒子数反转 .使原子被激发使原子被激发 .要实现光放大要实现光放大 工作物质工作物质 光学谐振腔光学谐振腔激励能源激励能源 部分反射镜部分反射镜 激励能源激励能源 全反射镜全反射镜 激光输出激光输出 工作物质工作物质 光学谐振腔光学谐振腔L1、激光器工作原理图、激光器工作原理图 China University of Mining & Technology 处于低能级的电子数大于高能级的电子数处于低能级的电

13、子数大于高能级的电子数,这种分布叫做这种分布叫做粒子数的正常分布；粒子数的正常分布；否则叫做粒子数布局反转否则叫做粒子数布局反转 , 简称简称粒子数反转粒子数反转或称布局反或称布局反转。转。粒子数的正常分布粒子数的正常分布1E2E. .。 。1N2N12EE 粒子数反转分布粒子数反转分布2E1E.。 。2N1N12EE 2、粒子数反转、粒子数反转 China University of Mining & Technology 工作物质必须能实现粒子数反转。可以是工作物质必须能实现粒子数反转。可以是气体、固体或半导体。现已有工作物质气体、固体或半导体。现已有工作物质近千种，可以产生波长从紫外到远

14、红外近千种，可以产生波长从紫外到远红外波段的激光。波段的激光。 China University of Mining & Technology 从外界输入能量（如光照从外界输入能量（如光照,放电等）放电等） , 把低能级上的原把低能级上的原子激发到高能级上去子激发到高能级上去, 这个过程叫做这个过程叫做激励激励（也叫泵浦）。（也叫泵浦）。红宝石中铬离子能级示意图红宝石中铬离子能级示意图.1E2E.。基态基态亚稳态亚稳态激发态激发态3E3、激励、激励 China University of Mining & Technology n为了不断地得到激光输出，就需不断地将处于低能为了不断地得到激光输

15、出，就需不断地将处于低能级的原子抽运到高能级上去，级的原子抽运到高能级上去， 激励源形象地称为泵。激励源形象地称为泵。n用气体放电的办法激发物质原子，称为电激励；用气体放电的办法激发物质原子，称为电激励；n也可用脉冲光源去照射工作物质，称为光激励；也可用脉冲光源去照射工作物质，称为光激励；还有热激励、化学激励等；还有热激励、化学激励等； China University of Mining & Technology 4、光学谐振腔、光学谐振腔光在粒子数反转的工作物质中往返传播光在粒子数反转的工作物质中往返传播,使谐振腔内的光使谐振腔内的光子数不断增加子数不断增加,从而获得很强的光从而获得很强的

16、光,这种现象叫做光振荡这种现象叫做光振荡.激光光束激光光束全反射镜全反射镜l光学谐振腔示意图光学谐振腔示意图部分透光反射镜部分透光反射镜作用是使光沿工作物质轴线在反射镜间来回反射作用是使光沿工作物质轴线在反射镜间来回反射部分透射产生激光部分透射产生激光 China University of Mining & Technology 二、激光分类二、激光分类 China University of Mining & Technology 1. 连续性来分：有连续激光和脉冲激光连续性来分：有连续激光和脉冲激光, 脉冲激光有微秒脉冲激光有微秒级级(10e-6 秒秒), 也有纳秒也有纳秒(10e-9秒

17、秒), 皮秒皮秒(10e-12秒秒), 和和 飞飞秒秒(10e-15秒秒)激光激光. 毫毫/微微/纳纳/皮皮/飞飞/阿阿 | 千千/兆兆/吉吉n连续一般明确激光功率，而脉冲激光器一般明确连续一般明确激光功率，而脉冲激光器一般明确单脉冲能量。单脉冲能量。n连续激光一般用于激光测距，精细光谱。脉冲激连续激光一般用于激光测距，精细光谱。脉冲激光器热作用效应越少，一般用于精细加工光器热作用效应越少，一般用于精细加工 China University of Mining & Technology 2. 工作物质来分有：工作物质来分有：氦氦-氖激光氖激光, 二氧化碳气体激光二氧化碳气体激光Nd-YAG 固

18、体激光固体激光,红宝石固体激光红宝石固体激光二极管半导体激光二极管半导体激光 等等等等 . China University of Mining & Technology nhelium-neon lasern产生激光的是氖原子，氦原子只是把它吸收的能量共振转产生激光的是氖原子，氦原子只是把它吸收的能量共振转移给氖原子，起很好的媒介作用。移给氖原子，起很好的媒介作用。n产生产生632.8nm、1152nm、3391nm等不同波长的激光。等不同波长的激光。n功率一般约数毫瓦，连续发光。功率一般约数毫瓦，连续发光。 n较常用在医疗上，如照射，有刺激、消炎、镇痛和扩张血较常用在医疗上，如照射，有刺激

19、、消炎、镇痛和扩张血管作用。如内科可用于穴位照射、体表局部照射；皮肤科管作用。如内科可用于穴位照射、体表局部照射；皮肤科用于治疗皮肤、粘膜溃疡等。另外，还用在全息摄影、激用于治疗皮肤、粘膜溃疡等。另外，还用在全息摄影、激光印刷、通讯等。光印刷、通讯等。 China University of Mining & Technology n二氧化碳气体激光二氧化碳气体激光n以以CO2 （另含少部分氦气、氮气，氢或氙气）气体作为工（另含少部分氦气、氮气，氢或氙气）气体作为工作物质的气体激光器。放电管通常是由玻璃或石英材料制作物质的气体激光器。放电管通常是由玻璃或石英材料制成，里面充以成，里面充以CO2

20、气体和其他辅助气体利用气体和其他辅助气体利用CO2分子的振分子的振动动-转动能级间的跃的，有比较丰富的谱线，在转动能级间的跃的，有比较丰富的谱线，在10微米附微米附近有几十条谱线的激光输出近有几十条谱线的激光输出,波长为波长为10.6 微米最常用。微米最常用。 n连续和脉冲方式均是最强大的一种激光。脉冲方式产生的连续和脉冲方式均是最强大的一种激光。脉冲方式产生的激光功率可达激光功率可达20千瓦以上。千瓦以上。n广泛应用于加工（焊接、切割、打孔等），通讯、雷达、广泛应用于加工（焊接、切割、打孔等），通讯、雷达、化学分析，激光诱发化学反应，外科手术等方面。化学分析，激光诱发化学反应，外科手术等方面

21、。 China University of Mining & Technology nNd.YAG激光激光nNd.YAG (Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet), 掺钕钇铝石榴石晶体（掺钕钇铝石榴石晶体（Nd原子含量为原子含量为0.61.1%）为其工作物质，具有光学均匀性好、机械性能好、）为其工作物质，具有光学均匀性好、机械性能好、物化稳定性高、热导性好等优点，目前仍是固体激光器的物化稳定性高、热导性好等优点，目前仍是固体激光器的首选材料。首选材料。n激光波长激光波长 1.064m，可激发脉冲激光或连续式激光，可激发脉冲激光或连续式激光 。 n广泛

22、用于工业、医疗、科研、通讯和军事等领域。如激光广泛用于工业、医疗、科研、通讯和军事等领域。如激光武器、激光测距、激光目标指示、激光探测、激光打标、武器、激光测距、激光目标指示、激光探测、激光打标、激光加工激光加工（包括切割、打孔、焊接以及内雕等）、激光医（包括切割、打孔、焊接以及内雕等）、激光医疗、激光美容等等疗、激光美容等等 China University of Mining & Technology n红宝石激光红宝石激光n红宝石红宝石(Al2O3+0.05%重量比的重量比的Cr2O3)在在Xe（氙）灯照（氙）灯照射下产生波长为射下产生波长为694310e10米的激光米的激光。 Chin

23、a University of Mining & Technology n半导体激光半导体激光n激光二极管（激光二极管（Laser diode）等，由于它的波长范围宽，）等，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，广泛使量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器（激光笔），是目前生产量最大的激光器。示器（激光笔），是目前生产量最大的激光器。 China Univ

24、ersity of Mining & Technology 四、激光加工的过程四、激光加工的过程 China University of Mining & Technology u激光加工是一个高温过程。激光加工是一个高温过程。u当能量密度极高的激光照射在被加工表面时，光能被加工表当能量密度极高的激光照射在被加工表面时，光能被加工表面吸收并转换成热能，使照射斑点的局部区域迅速熔化甚至汽面吸收并转换成热能，使照射斑点的局部区域迅速熔化甚至汽化蒸发，结果使斑点周围的金属熔化。化蒸发，结果使斑点周围的金属熔化。过程过程The configuration of laser machining proc

25、ess China University of Mining & Technology u随着激光能量的继续吸收，凹坑中金属蒸气迅速膨胀，压力突随着激光能量的继续吸收，凹坑中金属蒸气迅速膨胀，压力突然增加，熔融物被爆炸性地高速然增加，熔融物被爆炸性地高速喷射出来，其喷射所产生的反冲喷射出来，其喷射所产生的反冲压力又在工件内部形成一个方向性很强的冲击波。压力又在工件内部形成一个方向性很强的冲击波。u这样，工件材料就在高温熔融和冲击波的作用下蚀除了部分物这样，工件材料就在高温熔融和冲击波的作用下蚀除了部分物质，起到加工材料的目的。质，起到加工材料的目的。 原理原理The configuration

26、 of laser machining process China University of Mining & Technology China University of Mining & Technology 激光的应用激光的应用激光应用很广泛，主要有激光应用很广泛，主要有激光打标激光打标、光纤通信、光纤通信、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光切割激光切割、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矫视、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器等等激光美容、激光扫描、激光灭蚊器等等 China University of Minin

27、g & Technology 50 micron diamater, steel5 micron diamater, steel50 micron squares, silicon125 micron diameter, alumina150 micron diameter, silicon80 micron diameter, Si3N450 micron diameter, Polymer (Kapton)200 micron diameter,Glass1 1、激光打孔、激光打孔 China University of Mining & Technology China Universi

28、ty of Mining & Technology 2 2、激光切割、激光切割工件与激光束有相对移动工件与激光束有相对移动有时采用同轴吹氧，大幅度提高切割速度有时采用同轴吹氧，大幅度提高切割速度 China University of Mining & Technology CopperTungstenDiamondSteelSiliconCeramicPolymerSapphire China University of Mining & Technology A cross section of laser cutting of 12.7mm thick Inco-nel 600. The

29、re is dross on the bottom of the cut A cross section of a high brightness laser cut of 25.4 mm thick 304L stainless steel with argon assist gas INCO=International Nickel Corporation国际镍业公司国际镍业公司美美 China University of Mining & Technology UV Laser machining of copper at ns time scale show clear indicat

30、ion of fluid motions China University of Mining & Technology SEM micrographs of laser drilled holes China University of Mining & Technology 3 3、激光焊接、激光焊接照射时间短，迅速照射时间短，迅速无焊渣，无需去除氧化膜无焊渣，无需去除氧化膜可焊接不同的材料可焊接不同的材料 China University of Mining & Technology China University of Mining & Technology Laser transm

31、ission weld in 4mm thick polypropylene（聚丙烯聚丙烯） using a 100W Nd:YAG laser at a speed of 1.6m/min. The weld is at the interface between the light and dark materials Laser overlap weldoverlap weld in clear PMMA（ 聚甲基丙聚甲基丙烯酸甲酯烯酸甲酯） made with Clear weld absorber at the interface Continuous overlap weldsov

32、erlap welds in waterproof material made using Clear weld absorbing system. A Nd:YAG laser beam of approximately 100W in power was used with a welding speed of 500mm/min China University of Mining & Technology 4 4、激光热处理、激光热处理 激光束扫射零件表面，其能量被零件表面吸收，迅速升激光束扫射零件表面，其能量被零件表面吸收，迅速升温，使金属表面发生相变、甚至熔化，然后零件表面的热量温

33、，使金属表面发生相变、甚至熔化，然后零件表面的热量迅速向内外传递，形成极高的冷却速度，实现表面相变硬化迅速向内外传递，形成极高的冷却速度，实现表面相变硬化或合金化。或合金化。 China University of Mining & Technology 激光热处理的特点激光热处理的特点加热快加热快便于控制便于控制不需冷却介质、节能、保护环境不需冷却介质、节能、保护环境硬化层浅硬化层浅可用于相变硬化、表面合金化、激光上亮等可用于相变硬化、表面合金化、激光上亮等 设备投资、维护费用高设备投资、维护费用高 China University of Mining & Technology Laser

34、Bending ProcessLaser Bending Process板料激光弯曲是一种基于材料的热胀冷缩特性，利用高能激光束扫描金板料激光弯曲是一种基于材料的热胀冷缩特性，利用高能激光束扫描金属薄板表面形成的厚向温度梯度，导致非均匀分布的热应力，来实现板属薄板表面形成的厚向温度梯度，导致非均匀分布的热应力，来实现板料弯曲成形的方法。料弯曲成形的方法。温度场的不均匀性变化与塑性变形之间的关系，控制弯曲角度温度场的不均匀性变化与塑性变形之间的关系，控制弯曲角度 5 5、激光板料成形：、激光板料成形： China University of Mining & Technology 6 6、激光冷

35、冻原子、激光冷冻原子19971997年诺贝尔物理学奖授予：年诺贝尔物理学奖授予： n49岁的美国斯坦福大学华裔教授：朱棣文岁的美国斯坦福大学华裔教授：朱棣文(S Cchu)；69岁的法国巴黎高等师院岁的法国巴黎高等师院C C 达诺基教授达诺基教授(C C Tanoudji)； 48岁的美国国家标准局岁的美国国家标准局W D 菲利浦斯菲利浦斯(W D Phillips)n以表彰他们在激光冷却原子和捕获方法上所作出的突出贡献。以表彰他们在激光冷却原子和捕获方法上所作出的突出贡献。n此项技术在激光制冷、控制单个原子行为方面有重要应用。此项技术在激光制冷、控制单个原子行为方面有重要应用。控制、操纵孤立

36、原子是科学家多年追求的目标。由于原子不停的控制、操纵孤立原子是科学家多年追求的目标。由于原子不停的热运动（热运动（10e4 10e5cm/s），要想实现控制、操纵，首先），要想实现控制、操纵，首先要使原子冷下来，即降低其运动速度。要使原子冷下来，即降低其运动速度。 China University of Mining & Technology u激光的制冷原理就是要降低物体中分子的热运动；激光的制冷原理就是要降低物体中分子的热运动；u朱棣文首先采用三束相互垂直的激光，从各个方面朱棣文首先采用三束相互垂直的激光，从各个方面对原子进行照射，使原子陷于光子海洋中，运动不对原子进行照射，使原子陷于光子

37、海洋中，运动不断受到阻碍而减速。激光的这种作用被形象地称为断受到阻碍而减速。激光的这种作用被形象地称为“光学粘胶光学粘胶”。6 6、激光冷冻原子、激光冷冻原子 China University of Mining & Technology n材料表面纹理结构对摩擦界面的润滑和抗磨性能材料表面纹理结构对摩擦界面的润滑和抗磨性能具有重要影响。具有重要影响。7 7、激光表面图案化、激光表面图案化 China University of Mining & Technology n仿生学相关研究和实践表明，仿生学相关研究和实践表明， 具有非光滑鳞片形具有非光滑鳞片形态的生物体表面反而往往具有更好的抗磨性

38、能。态的生物体表面反而往往具有更好的抗磨性能。如蚯蚓、蜣螂、蚂蚁、穿山甲等动物等。如蚯蚓、蜣螂、蚂蚁、穿山甲等动物等。 China University of Mining & Technology n摩擦学的相关研究和实践也表明，表面并非越光摩擦学的相关研究和实践也表明，表面并非越光滑越耐磨。滑越耐磨。 China University of Mining & Technology Laser Surface Texturingn摩擦副界面的激光处理技术：摩擦副界面的激光处理技术：l加工速度快加工速度快l环境污染小环境污染小l微腔造型能力强微腔造型能力强l易于控制形貌参数易于控制形貌参数 C

39、hina University of Mining & Technology Laser Surface Texturingl紫外波段输出的准分子激光紫外波段输出的准分子激光的出现使加工更加精细。的出现使加工更加精细。l脉冲时域宽度从纳秒脉冲时域宽度从纳秒( 10-9s)至飞秒至飞秒(10-15s)的发展使热的发展使热影响区更小。影响区更小。n摩擦副界面的激光处理技术：摩擦副界面的激光处理技术： China University of Mining & Technology n仿生形貌的激光制备仿生形貌的激光制备n仿生形貌的表征仿生形貌的表征 China University of Minin

40、g & Technology 博士课题的部分工作博士课题的部分工作 China University of Mining & Technology 1 1、凹坑结构的激光制备、凹坑结构的激光制备YAG LaserSampleSample（1）激光工艺参数包括：）激光工艺参数包括：脉冲宽度为脉冲宽度为10ns输入功率密度：输入功率密度：55-60KW/cm2焦距焦距8mm离焦量离焦量0.005-0.01mm重复频率为重复频率为50KHz扫描速度为扫描速度为10mm/s进行多脉冲辐照。进行多脉冲辐照。 China University of Mining & Technology （2）形貌形貌图

41、1 各种凹坑结构形貌图（a）球冠形凹坑（b）槽状凹坑（c）网格状凹坑（d）单个球冠形凹坑（d）（c）（b）（a）微坑直径在200m左右，微坑深度在100m左右 1 1、凹坑结构的激光制备、凹坑结构的激光制备 China University of Mining & Technology （3）摩擦磨损试验1 1、凹坑结构的激光制备、凹坑结构的激光制备 China University of Mining & Technology （4）结果-摩擦系数（Parameters） （Parameters） （Parameters） （Parameters） 分散分散集中集中1 1、凹坑结构的激光制备

42、、凹坑结构的激光制备 China University of Mining & Technology （4）结果-绘制Stribeck曲线polishedbeneficial to lubrication“damage”action1 1、凹坑结构的激光制备、凹坑结构的激光制备 China University of Mining & Technology （4）结果-磨损量（Parameters、） （Parameters、） 三种凹坑结构纹理试样的三种凹坑结构纹理试样的耐磨性能均优于光滑试样耐磨性能均优于光滑试样 1 1、凹坑结构的激光制备、凹坑结构的激光制备 China Universi

43、ty of Mining & Technology 博士课题的部分工作博士课题的部分工作 China University of Mining & Technology （1）激光工艺参数包括：）激光工艺参数包括：脉冲宽度为脉冲宽度为2ns在无需气体侧吹扰动的情况下在无需气体侧吹扰动的情况下,输入功率密度：输入功率密度：25-30KW/cm2焦距焦距100mm离焦量离焦量0.005-0.01mm，重复频率为重复频率为1000Hz并根据乳突间距合理计算扫描速度，并根据乳突间距合理计算扫描速度，以确保单脉冲辐照。以确保单脉冲辐照。 2 2、乳突结构的激光制备、乳突结构的激光制备YAG LaserS

44、ampleSample China University of Mining & Technology 图2 SEM观察整体形貌2 2、乳突结构的激光制备、乳突结构的激光制备（2）形貌形貌 China University of Mining & Technology 图3 乳突周围的结构形貌（a）二维（b）三维（b）（a）2 2、乳突结构的激光制备、乳突结构的激光制备 China University of Mining & Technology 图4 单个乳突结构的形貌（a）三维（b）二维（a）（b）2 2、乳突结构的激光制备、乳突结构的激光制备 China University of M

45、ining & Technology 从结构上分为四个区域从结构上分为四个区域结晶末梢尖端区结晶末梢尖端区柱状乳突区柱状乳突区乳突周围毛糙区乳突周围毛糙区热影响区热影响区 图3 乳突周围的结构形貌（a）二维（b）三维（b）（a）2 2、乳突结构的激光制备、乳突结构的激光制备 China University of Mining & Technology 图5 抛光之后的乳突形貌2 2、乳突结构的激光制备、乳突结构的激光制备 China University of Mining & Technology na、有效的抑制汽、有效的抑制汽化；化；能量保证能量保证nb、由于波形能量分、由于波形能量分

46、布而产生的凸缘尖布而产生的凸缘尖端其生长速率最大，端其生长速率最大，乳突结构在时间上乳突结构在时间上就有了形成的可就有了形成的可能能快速熔凝理快速熔凝理论论nc、通常伴随着组织、通常伴随着组织的变化，的变化，物质物质基础基础图3 乳突周围的结构形貌（a）二维（b）三维（b）（a）2 2、乳突结构的激光制备、乳突结构的激光制备（3）讨论讨论 China University of Mining & Technology 图5 抛光之后的乳突形貌d、从仿生学的观点出发，、从仿生学的观点出发，这种柱状乳突表面结构有了优异的摩擦、磨损和润湿性等表面性能这种柱状乳突表面结构有了优异的摩擦、磨损和润湿性等表面性能的尺寸保证和组织保证。的尺寸保证和组织保证。2 2、乳突结构的激光制备、乳突结构的激光制备 China University of Mining & Technology 博士课题的部分工作博士