钛合金飞秒激光表面处理新技术及其特性研究

研究表明，激光表面处理技术是拓宽钛合金使用范围的一条有效途径；进一步提高钛合金激光表面改性层的性能，已经成为国内外学者研究的焦点。本项目是基于超短脉冲激光与材料相互作用过程分析以及已经掌握的认识（包括热力学过程理论与实验探讨），研究飞秒激光诱导向前转移技术进行钛合金表面改性的特性与关键技术。首先从数值模拟和辐照实验与特性测试两个方面，研究飞秒激光作用下，材料烧蚀、转移沉积的机理及转移沉积膜的特性规律。进而研究不同激光功率、光斑尺寸、扫描速度、激光束能量分布等条件下，沉积膜的物理、化学性能，包括形貌、结构、成分、强度、高温抗氧化性、耐蚀及摩擦磨损性能等。最终，通过大量实验及样品检测的研究结果，寻找出获得采用飞秒激光诱导向前转移技术进行钛合金表面改性最佳效果的技术参数范围。深入发展飞秒激光表面处理这一全新技术的研究，在关键技术和重要基础问题上取得经验，将推动我国材料表面处理技术上一个新台阶。

新近发展的飞秒激光烧蚀材料的机理有别于长脉冲激光，使其在实际应用中显示出许多独特的优势。研究探索航空材料飞秒激光表面处理新技术的特性和规律，具有重要意义和广泛应用前景。本项目通过数值模拟，研究了飞秒激光与金属材料作用的机理；碳化硅的稳定性和电子结构；以及经过激光辐照，材料内部光栅形成过程中，单体与纳米粒子间的传递机制。实验研究了高重复频率和低重复频率两种飞秒激光对钛铝合金表面处理的特性，获得了最佳匹配的扫描速度、激光功率和焦点位置。通过对实验样品的形貌、物理学性能进行测试和分析，发现高重复频率飞秒激光对钛铝合金表面处理时，处理区会产生裂纹；而低重复频率飞秒激光对钛铝合金表面处理时，表面呈现较均匀的柱状颗粒，且飞秒激光表面处理后无裂纹产生（即能够克服热效应）。并且经飞秒激光处理后，材料的硬度提高至少30%，摩擦性能也得到了较大的提高。实验研究了飞秒激光诱导碳化锗、碳化硅等薄膜材料在钛铝合金上转移沉积的特性，获得了最佳匹配的源膜厚度、扫描速度、激光功率和焦点位置。通过对实验样品的形貌、物理学性能进行测试和分析，发现采用飞秒激光诱导前向膜转移技术制备的沉积膜的表面组织致密，平整度好且没有裂纹；在基底与膜层间存在过渡层，膜层与基底间有很高的结合强度。结果表明采用fs-LIFT技术制作钛铝合金表面涂层，实现材料改性是可行的。此外，发现了文献未报道、有意义的新颖实验结果。