飞秒激光加工是近年来微纳加工领域中一种重要的加工方法。飞秒激光不仅能够对材料进行表面改性、烧蚀，更具有在特定区域加工高精度三维结构的独特优势，飞秒激光加工在微纳加工领域有着广阔的应用前景。本文主要阐述了飞秒激光与金属相互作用的一般过程，介绍了飞秒激光直写加工、飞秒激光诱导产生表面周期性结构、飞秒激光复合化学方法等表面微纳结构的制备方法。然后，分别从环境工程、航空航天以及生物医学领域阐述了飞秒激光在金属表面制备微纳结构的应用。最后，对当前飞秒激光制备微纳结构的不足和未来研究方向进行总结和展望。

无损检测技术是合金钢构件激光增材制造的重要技术支撑, 是保证激光增材制造产品质量和在役安全性的关键技术, 是贯穿产品全寿命安全保证的重要技术组成。金属激光增材制造合金钢件成形、组织和力学性能不同于传统技术制造构件性能, 使得无损检测技术面临诸多挑战。综述了激光增材制造合金钢成形质量特性, 包括成形缺陷和力学性能; 基于无损检测技术, 论述了无损检测技术在激光增材制造合金钢件质量评价中的应用, 重点论述了无损检测技术在激光增材制造构件缺陷和力学性能中的应用现状; 提出了基于超声和微磁检测技术评价材料力学性能的原理、标定方法和微磁传感器设计方案; 最后总结了无损检测评价技术在激光增材制造合金钢件检测评价应用中面临的挑战和发展趋势。

通过皮秒激光对304不锈钢表面进行刻蚀获得了光栅微纳结构,分析了该微纳结构的尺寸及该不锈钢的表面形貌,研究了不同激光加工参数对微纳结构的影响。结果表明,平均功率对激光烧蚀率及光栅微纳结构尺寸具有显著影响;增大扫描速率,光栅微纳结构深度减小,宽度基本保持不变,激光烧蚀率呈不规则波动;加工次数的增大则会减小激光烧蚀率。激光加工不锈钢表面制备微纳结构的较优工艺条件为高平均功率、较大扫描速率和小加工次数,在该工艺条件下微纳加工不锈钢表面获得了超疏水性能。

随着激光增材制造金属件的质量和性能的提高,金属粉体材料已成为金属激光增材制造技术应用的制约因素,激光增材制造专用金属粉体材料成为了近年来的研究热点之一。针对激光增材制造钢粉体材料,从材料设计、粉体制备、表征评价、样件实例等方面综述了激光增材制造钢粉体材料的国内研究现状,提出了激光3D粉体材料研究和应用中存在的主要问题及发展方向。

闭环控制系统在激光再制造工程中的应用, 对提高激光再制造产品形状尺寸精度以及成形控制过程自动化、智能化水平具有重要意义, 并具有广阔的发展空间。从闭环控制系统原理及结构出发, 对以熔池形状、3维尺寸、熔池温度、激光功率以及多信号联合等方式为监测方法的典型闭环控制系统进行分析, 同时就出光位置调整、送粉速率调节、激光功率控制等主要控制方法进行概述, 并从顶层设计、传感器精度、算法复杂度以及系统实时性和可靠性等方面对系统构建的关键性环节进行总结。在分析对比国内外激光再制造闭环控制系统研究进展及相关局限性基础上, 分析归纳系统构建难点, 指出了激光再制造闭环控制系统将向算法智能化、传感器集成化、控制参量综合化以及监测控制网络化的方向发展。

针对扭曲薄壁结构类部件易发生体积损伤而造成工程损失的实际,以体积损伤压缩机叶片模拟件激光再制造成形为目标,通过表面形貌对比、稀释率及宽高比分析,选择优化工艺参数;以成形部位截面几何参量和激光成形形状参数为指标,采用斜坡预成形工艺,对再制造成形过程进行量化控制,实现异形曲面截面特征的体积损伤部位的激光再制造成形。采用金相显微观察和测量的试验方法,对成形部位缺陷及尺寸精度进行试验分析,试验结果表明: 成形部位无气孔、裂纹等缺陷,熔覆层与基体为致密的冶金结合,再制造成形部位热影响区较小,在2～3 mm之间,成形后模拟件宽度方向尺寸精度误差在2 mm之内,两侧斜面弯曲部分成形精度误差在3°以内,其主要形状控制参数均具有较高精度。

针对激光熔覆层残余应力过大导致变形、开裂的问题，采用激光冲击技术对Fe314合金熔覆层进行了表面冲击处理，分析了熔覆层残余拉应力分布形式及消除机理。结果显示，激光熔覆时采用相对较大的激光比能量，即慢扫描速度、小光斑直径和低送粉速率工艺可有效降低熔覆层残余拉应力。而激光冲击大幅降低了熔覆层残余拉应力，随着冲击次数提高，熔覆层拉应力减小，但拉应力降低幅度呈逐渐减弱趋势。冲击波力学效应引发的极大应变率使熔覆层表层发生微塑性变形，形成压应力场，大幅抵消熔覆层初始态残余拉应力。材料压缩变形时在γ-Fe晶粒内萌发大量位错线，位错发生多系滑移并相互缠结形成位错墙，引发细晶强化作用。

针对灰铸铁激光熔覆的白口组织和开裂问题，研究了NiCuFeBSi合金材料及基体预热工艺对白口组织控制的影响，评价了合金力学性能。结果表明，NiCuFeBSi合金熔覆层界面白口组织宽度较小，基体预热温度升高时，白口组织呈现分散、断续状分布。半熔化区由于白口组织存在，显微硬度在此区达到峰值，向界面两侧呈递减趋势；NiCuFeBSi合金抗拉强度较高，横向抗拉强度大于纵向，其与HT250的对接试样抗拉强度受热影响区强度下降影响，强度小于NiCuFeBSi合金和HT250。熔覆层拉伸断裂机制为解理断裂为主、解理与准解理混合型断裂。

为了在碳钢表面获得具有耐磨和耐蚀性能的铁基涂层，采用CO2气体激光在45#钢表面制备了D577合金激光熔覆涂层。采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计和往复摩擦磨损试验机分析了熔覆层的显微组织，测试了涂层的硬度和摩擦磨损性能。试验结果表明，涂层由单相奥氏体组成，涂层与基体形成了良好的冶金结合，无裂纹、气孔等缺陷；涂层显微硬度达630~650 HV，纳米压痕硬度为8.58 GPa，弹性模量为235.82 GPa；D577合金激光熔覆层可以明显改善基体45#钢的耐磨性和电化学腐蚀性能。

激光熔覆技术可以对失效的齿类件进行再制造，但是随着机械动力装置性能的大幅度提高，对激光再制造后齿类件的性能要求也越来越高。为了进一步提高激光再制造后齿类件的性能，采用活化屏等离子体氮化处理技术对Fe314激光熔覆层进行了复合处理，重点研究了活化屏等离子体氮化复合处理对激光熔覆层的表面硬度和抗接触疲劳性能的影响。试验结果表明，复合处理后Fe314激光熔覆层的表面硬度由540 HV提高到927 HV，Fe314激光熔覆层的接触疲劳寿命由2.42×105提高到4.94×105，复合处理后显著提高了Fe314激光层的表面硬度和接触疲劳性能。