采用超快脉冲激光对金属材料非晶化处理的方法及系统

摘要

本发明涉及一种采用超快脉冲激光对金属材料非晶化处理的方法及系统，属于超快脉冲激光应用技术领域。首先将超快激光脉冲序列通过物镜聚焦到水中的金属晶体上，通过调控入射到金属晶体的超快激光脉冲个数、能量通量，使金属晶体的超快脉冲激光辐照区域熔化，并快速冷却淬火，从而制备非晶金属。本发明的方法和系统，通过调节精密衰减轮，严格控制入射到金属晶体材料中的单脉冲能量，使金属快速熔化及快速冷却，因此可以实现非晶化程度的控制。本发明的金属冷却速度可达到1012～1013K/s，比常规加工手段的冷却速度更快，为实现金属的非晶化提供了一种新的方法及相关系统。本发明方法更优化了材料的力学性能及耐腐蚀性，使非晶单种金属具有更广泛的应用前景。

权利要求

1.一种采用超快脉冲激光对金属材料非晶化处理的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)构建一个采用超快脉冲激光对金属材料非晶化处理的系统，该系统包括超快脉冲激光器、精密衰减轮、电控快门、二向色镜、电荷耦合元件、成像透镜、照明光源、半透半反镜、倍频晶体、物镜和六自由度电控平台；所述的超快脉冲激光器发出的超快激光脉冲序列依次通过精密衰减轮、电控快门、二向色镜、倍频晶体和物镜后聚焦到待加工金属晶体上，构成加工光路；所述的照明光源发出的白光依次透过半透半反镜、二向色镜、倍频晶体和物镜后照射到待加工的金属材料的晶体上，构成照明光路；反射的照明光通过物镜、倍频晶体、二向色镜、半透半反镜及成像透镜后照射到电荷耦合原件上，构成成像光路；加工光路与照明光路在经过二向色镜后重合，成像光路与照明光路在待加工金属晶体与半透半反镜之间重合，金属材料浸没在装有水的烧杯中，烧杯置于六自由度电控平台上；

(2)测量待加工金属熔化时超快激光脉冲的脉冲能量阈值，过程如下：(2‑1)设定超快激光的脉冲个数为N，超快激光的单脉冲能量为F0，将超快激光通过物镜2

聚焦到金属材料表面，根据超快激光的脉冲波长λ、超快激光的光斑直径D、物镜质量因数M2

和物镜焦距f，计算得到金属材料上焦点处的光斑半径d， 其中物镜质量因数M 可以由相关手册是获取；

(2‑2)测量步骤(2‑1)中金属材料熔化区的半径r；

(2‑3)利用下式，计算得到超快激光脉冲个数为N时，金属材料熔化时的激光脉冲能量阈值Fm，

(3)将超快激光脉冲序列通过物镜聚焦到金属试样上，超快脉冲激光的参数设置为：超快脉冲激光中心波长为400nm，重复频率为3～15Hz，脉冲宽度为10～50fs，超快激光脉冲个数为400～1000个，超快脉冲激光的能量通量控制在金属材料熔化时的激光脉冲能量阈值Fm的1.05～1.80倍，加工得到非晶金属。

说明书

采用超快脉冲激光对金属材料非晶化处理的方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种采用超快脉冲激光对金属材料非晶化处理的方法及系统，属于超快脉冲激光应用技术领域。

背景技术

[0002] 非晶金属由于其长程无序短程有序的原子排列结构而呈现出高屈服强度、高硬度、高耐磨性等优异性能，广泛应用于冶金、航空、材料工程等领域。迄今为止，人们多数研
究的非晶结构为合金的非晶结构，因为不同元素金属的原子大小不同，导致合金非晶结构
的冷却速率要求较低，然而，对于单种金属非晶结构的制备难度更高，报道较少。专利申请
“一种通过激光加工使钛合金表面非晶‑纳米化的方法”(中国专利，申请号：
201410759195.8)公开了一种采用连续激光扫描方法，实现合金的非晶结构处理，但是该已
有技术无法实现快速加热和快速冷却，从而无法适用于单种金属的非晶制备；专利申请“一
种金属材料表面原位非晶化改性方案”(中国专利，申请号：201610583224.9)同样介绍的是
连续激光束对合金金属表面非晶改性加工方法，该方法受到合金成分的限制，受限于冷却
速率不足而无法加工单种金属的非晶结构。相比起非晶合金而言，非晶的单种金属只有一
种元素，其导电性能和导热性能更好，且非晶化处理可以提高单种金属材料的位错密度，进
而提高单种金属的韧性和强度，在维持单种金属热电性能的同时强化了力学性能及耐腐蚀
性，因此，对单种金属进行非晶化处理有着非常重要的意义。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提出一种采用超快脉冲激光对金属材料非晶化处理的方法及系统，通过改变超快脉冲激光的脉冲个数、能量通量等参数，对浸没在水中的纯金属材料进行
快速加热—冷却处理，完成非晶化加工。

[0004] 本发明提出的采用超快脉冲激光对金属材料非晶化处理的方法，包括以下步骤：

[0005] (1)测量金属熔化时超快激光脉冲的脉冲能量阈值，过程如下：

[0006] (1‑1)设定超快激光的脉冲个数为N，超快激光的单脉冲能量为F0，将超快激光通过物镜聚焦到金属材料表面，根据超快激光的脉冲波长λ、超快激光的光斑直径D、物镜质量
2
因数M和物镜焦距f，计算得到金属材料上焦点处的光斑半径d， 其中物镜质量因
2
数M可以由相关手册是获取；

[0007] (1‑2)测量步骤(1‑1)中金属材料熔化区的半径r；

[0008] (1‑3)利用下式，计算得到超快激光脉冲个数为N时，金属材料熔化时的激光脉冲能量阈值Fm，

[0009] (2)将超快激光脉冲序列通过物镜聚焦到金属试样上，超快脉冲激光的参数设置为：超快激光脉冲个数为400～1000个，超快脉冲激光的能量通量控制在金属材料熔化时的
激光脉冲能量阈值Fm的1.05～1.80倍，加工得到非晶金属。

[0010] 本发明提出的采用超快脉冲激光对金属材料非晶化处理的系统，包括超快脉冲激光器、精密衰减轮、电控快门、二向色镜、电荷耦合元件、成像透镜、照明光源、半透半反镜、
倍频晶体、物镜和六自由度电控平台；所述的超快脉冲激光器发出的超快激光脉冲序列依
次通过精密衰减轮、电控快门、二向色镜、倍频晶体和物镜后聚焦到待加工金属晶体上，构
成加工光路；所述的照明光源发出的白光依次透过半透半反镜、二向色镜、倍频晶体和物镜
后照射到待加工的金属材料的晶体上，构成照明光路；反射的照明光通过物镜、倍频晶体、
二向色镜、半透半反镜及成像透镜后照射到电荷耦合原件上，构成成像光路；加工光路与照
明光路在经过二向色镜后重合，成像光路与照明光路在待加工金属晶体与半透半反镜之间
重合，金属材料浸没在装有水的烧杯中，烧杯置于六自由度电控平台上。

[0011] 本发明提出的采用超快脉冲激光对金属材料非晶化处理的方法及系统，其优点包括：

[0012] 1、本发明方法由于超快脉冲激光具有超短的脉宽，在金属熔化后可以达到更高的冷却速率，可以完成单种金属的非晶制备，本方法克服了已有技术的连续激光峰值功率较
低、无法实现材料的快速加热和冷却，从而只能实现对合金材料的非晶化处理的缺点。

[0013] 2、本发明方法制备的非晶的单种金属，只有一种元素，其导电性能和导热性能更好，且非晶化处理可以提高单种金属材料的位错密度，进而提高单种金属的韧性和强度，在
维持单种金属热电性能的过程中同时优化了材料的力学性能及耐腐蚀性，使非晶单种金属
具有更广泛的应用前景。

[0014] 3、本发明的方法和系统，通过调节精密衰减轮，严格控制入射到金属晶体材料中的单脉冲能量，使金属快速熔化及快速冷却，因此可以实现非晶化程度的控制。同时，金属
材料浸没于水中，使得材料的冷却速率得到进一步提高，在熔化金属形核生长前完成凝固
12 13
过程，得到非晶金属。本发明的金属冷却速度可达到10 ～10 K/s，比常规加工手段的冷却
速度更快，为实现金属的非晶化提供了一种新的方法及相关系统。

附图说明

[0015] 图1是本发明采用超快脉冲激光对金属材料非晶化处理的系统的结构示意图。

[0016] 图2是超快脉冲激光制备非晶金属示意图。

[0017] 图1中和图2中，1是超快脉冲激光器、2是精密衰减轮、3是电控快门、4是二向色镜、5是电荷耦合元件(CCD)、6是成像透镜、7是照明光源、8是半透半反镜、9是倍频晶体、10是物
镜、11是水中的金属试样、12是六自由度电控平台，13是超快激光，14是非晶金属，15是金属
晶体，16是水环境。

具体实施方式

[0018] 本发明提出的采用超快脉冲激光对金属材料非晶化处理的方法，包括以下步骤：

[0019] (1)测量金属熔化时超快激光脉冲的脉冲能量阈值，过程如下：

[0020] (1‑1)设定超快激光的脉冲个数为N，超快激光的单脉冲能量为F0，将超快激光通过物镜聚焦到金属材料表面，根据超快激光的脉冲波长λ、超快激光的光斑直径D、物镜质量
2
因数M和物镜焦距f，计算得到金属材料上焦点处的光斑半径d， 其中物镜质量因
2
数M可以由相关手册是获取；

[0021] (1‑2)测量步骤(1‑1)中金属材料熔化区的半径r；

[0022] (1‑3)利用下式，计算得到超快激光脉冲个数为N时，金属材料熔化时的激光脉冲能量阈值Fm，

[0023] (2)将超快激光脉冲序列通过物镜聚焦到金属试样上，超快脉冲激光的参数设置为：超快激光脉冲个数为400～1000个，超快脉冲激光的能量通量控制在金属材料熔化时的
激光脉冲能量阈值Fm的1.05～1.80倍，加工得到非晶金属。

[0024] 本发明提出的采用超快脉冲激光对金属材料非晶化处理的系统，其结构如图1所示，包括超快脉冲激光器1、精密衰减轮2、电控快门3、二向色镜4、电荷耦合元件(CCD)5、成
像透镜6、照明光源7、半透半反镜8、倍频晶体9、物镜10和六自由度电控平台12.。超快脉冲
激光器1发出的超快激光脉冲序列依次通过精密衰减轮2、电控快门3、二向色镜4、倍频晶体
9和物镜10后聚焦到待加工金属晶体上，构成加工光路。照明光源7发出的白光依次透过半
透半反镜8、二向色镜4、倍频晶体9和物镜10后照射到待加工的金属材料11的晶体上，构成
照明光路；反射的照明光通过物镜10、倍频晶体9、二向色镜4、半透半反镜8及成像透镜6后
照射到电荷耦合原件(CCD)5上，构成成像光路；加工光路与照明光路在经过二向色镜4后重
合，成像光路与照明光路在待加工金属晶体11与半透半反镜8之间重合，金属材料浸没在装
有水的烧杯中，烧杯置于六自由度电控平台12上。

[0025] 图2中，超快脉冲激光使金属材料快速升温，并快速降温；水环境使材料的降温速率得到进一步提高。熔化金属在形核生长前完成凝固过程，形成非晶结构。

[0026] 以下介绍本发明方法的工作过程：

[0027] 首先构建一个采用超快脉冲激光制备非晶金属的系统，其结构如图1所示，包括超快脉冲激光器1、精密衰减轮2、电控快门3、二向色镜4、电荷耦合元件(CCD)5、成像透镜6、照
明光源7、半透半反镜8、倍频晶体9、物镜10、水中的金属试样11、六自由度电控装置12；所述
的超快脉冲激光器1发出的超快激光脉冲序列依次通过精密衰减轮2、电控快门3、二向色镜
4、倍频晶体9和物镜10后聚焦到待加工金属晶体11，构成加工光路；所述的照明光源7发出
的白光依次透过半透半反镜8、二向色镜4、倍频晶体9和物镜10后照射到待加工的金属晶体
11，构成照明光路；加工金属11反射的照明光通过物镜10、倍频晶体9、二向色镜4、半透半反
镜8及成像透镜6后照射到电荷耦合原件(CCD)5上，构成成像光路；加工光路与照明光路在
经过二向色镜4后重合，成像光路与照明光路在待加工金属晶体11与半透半反镜8之间重
合，待加工金属块浸没入装有水的烧杯中，烧杯11固定在六自由度电控平台12上；然后对超
快脉冲激光加工系统进行调试；开启超快脉冲激光器1，产生超快激光脉冲，设置重复频率
为3～15Hz，设定电控快门3为单次曝光，并设置曝光时间为脉宽时间，调节六自由度电控平
台12的高度及角度，使固定脉冲数目及能量通量下金属熔化区域面积最小，此时超快脉冲
激光精确聚焦到金属晶体材料上；调节精密衰减轮2，使入射到金属晶体材料的单脉冲能量
通量控制在熔化阈值Fm的1.05～1.80倍；设置超快脉冲激光的重复频率及电控快门3的曝
光时间，使通过电控快门3的超快激光脉冲数目为N，通过倍频晶体9控制波长，进行非晶加
工。

[0028] 本发明的一个工作实例中，超快脉冲激光器1发出的超快激光脉冲序列依次通过精密衰减轮2、电控快门3、二向色镜4、倍频晶体9和物镜10后聚焦到待加工金属晶体11。待
加工金属晶体和烧杯11固定在六自由度电控平台12上，用于精确控制金属的移动和转动。
实施例中超快脉冲激光器1的参数为：超快脉冲激光中心波长为400nm，重复频率为3～
15Hz，脉冲宽度为10～50fs。物镜10的放大倍数为10倍，数值孔径为0.5，工作距离7.77mm。

[0029] 在成像子系统中，照明光源7发出的白光依次透过半透半反镜8、二向色镜4、倍频晶体9和物镜10后照射到待加工的金属晶体11，构成照明光路；加工金属11反射的照明光通
过物镜10、倍频晶体9、二向色镜4、半透半反镜8及成像透镜6后照射到电荷耦合原件(CCD)5
上，构成成像光路。

[0030] 操作过程如下：首先开启超快脉冲激光器1，产生超快脉冲激光；调节精密衰减轮2使入射到金属晶体11的单脉冲能量通量位于对应脉冲个数下金属的熔化阈值；选定物镜
10，将装有金属与水的烧杯11固定在六自由度电控装置12上，调节六自由度电控装置12的
高度及角度，使金属到达指定加工位置处；通过协调控制超快脉冲激光重复频率和电控快
门3的单次曝光时间，控制照射到待加工金属晶体11上的脉冲序列个数N，进行加工。

[0031] 以下介绍本发明的实施例：

[0032] 实施例1：

[0033] 调节精密衰减轮2，设置单个脉冲能量为6.25J·cm‑2，物镜10的放大倍数为10倍，数值孔径为0.5，工作距离7.77mm，通过电控快门控制辐照到金属的激光脉冲个数为400，形
成短轴长度为82nm，深度为80nm的非晶金属区域。

[0034] 实施例2：

[0035] 调节精密衰减轮2，设置单个脉冲能量为7.42J·cm‑2，物镜10的放大倍数为10倍，数值孔径为0.5，工作距离7.77mm，通过电控快门控制辐照到金属的激光脉冲个数为400，形
成短轴长度为80nm，深度为84nm的非晶金属区域。

[0036] 实施例3：

[0037] 调节精密衰减轮2，设置单个脉冲能量为6.25J·cm‑2，物镜10的放大倍数为10倍，数值孔径为0.5，工作距离7.77mm，通过电控快门控制辐照到金属的激光脉冲个数为800，形
成短轴长度为90nm，深度为91nm的非晶金属区域。

[0038] 实施例4：

[0039] 调节精密衰减轮2，设置单个脉冲能量为10.06J·cm‑2，物镜10的放大倍数为10倍，数值孔径为0.5，工作距离7.77mm，通过电控快门控制辐照到金属的激光脉冲个数为900，形
成短轴长度为96nm，深度为94nm的非晶金属区域。

[0040] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，
均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。