飞秒和纳秒激光加工块状金属玻璃（BMG）的研究现状

近日，上海工程技术大学材料科学与工程学院张培磊教授领导的国际研究团队，在光学与激光领域著名期刊《Optics & Laser Technology》发表题为“Research status of femtosecond lasers and nanosecond lasers processing on bulk metallic glasses (BMGs)”的综述论文。该论文结合作者团队多年的经验与成果，全面回顾了飞秒激光和纳秒激光在金属玻璃表面的加工现状，包括但不仅限于激光与材料相互作用机制、表面微纳结构的制备、对于不同材料性能的提升等。本研究工作得到了国家自然科学基金和上海市材料科学与工程高峰学科（高能束智能加工与绿色制造）的支持。

文章信息

第一作者：张微林

通讯作者：张培磊

通讯单位：上海工程技术大学

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.109812

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全文概述

近年来，激光加工对金属玻璃进行表面改性的研究工作越来越多，表明激光与金属玻璃表面的相互作用很有趣。短脉冲激光和超短脉冲激光加工因其脉冲宽度窄、能量密度高、对材料作用时间短而在该领域最为突出。特别是飞秒激光器和纳秒激光器为金属玻璃（BMGs）的高质量、高效率和低损耗加工提供了巨大的可能性。本文综述了这一特定研究领域，介绍了金属玻璃的性质和应用，飞秒激光器和纳秒激光器的加工特性，并从微观角度解释了激光与金属玻璃之间的复杂过程。此外，本文还分析了微纳结构和宏观形貌，并讨论了微观机理对结构的影响。另一方面，还讨论了微纳结构的性能，包括力学性能、光学性能、润湿性和生物相容性，这对金属玻璃的表面功能化具有重要意义。

图文解析

a.飞秒激光

图1.分子动力学模拟显示了超短激光照射下Zr-Cu金属玻璃表面纳米空腔的发展，峰值能量F=0.06J/cm²和一次激光射击。辐照模拟开始后165ps纳米孔周围温度和c压力的演变。

图2.以F=0.38J/cm²（a,b）和F=0.15J/cm²（c,d）的线性偏振激光脉冲辐照后BMG（a,c）和CA（b,d）样品表面的扫描电镜图像。插图中显示了CA形状的放大区，以及BMG表面无定形和结晶相的EBSD结构评估。较高通量值（N=1,2,4）时使用的脉冲数较少，而较低通量情况下使用的脉冲数较多（N=20,50,100）。(a)中的插图给出了在N=4时较高通量F=0.6J/cm²的例子。LSFL表示通常垂直于激光偏振方向形成的LSFL波纹。(a,b)中给出了BMG和CA情况下N=4脉冲时LIPSS的二维傅立叶变换（FT）表示法，显示了LSFL和HSFL的发展及其在空间-频率空间（K空间）中的特定空间周期性。

图3.Zr基金属玻璃表面具有高轮廓，具有不同的有效累积能量。

图4.多脉冲飞秒激光器在0.18J/cm²的低能量通量下照射的样品的表面形态.（a）N=10，（b）N=30和（c）N=100。

图5.(a)激光加工周期性表面光栅结构的三维示意图，(b)能量密度变化与颜色变化的关系示意图，(c)未处理、2.5J/mm²和8.0J/mm²处理的XRD图谱。

图6.飞秒激光纳米结构表面的形貌：(a)V105s的抛光表面；(b)V105s的纳米粒子结构表面；(c)V105的LIPSS；(d-g)Zr-BMGs的纳米颗粒结构表面；(h-k) Zr-BMG的LIPSS。

图7.(a)不同结构V105s表面的接触角变化，(b)试样的水接触角变化，(c)正十六烷试样的接触角变化，(d)试样的表面能变化；误差条表示基于每个样本不同区域的三个测量值的标准偏差。

图8.金黄色葡萄球菌在(a)抛光表面、(b)纳米颗粒结构表面和(c)LIPSS上的表面接触状态。表面细菌粘附状态示意图（d）在抛光表面上，(e)在纳米结构表面上和(f)在LIPSS上。

b.纳秒激光

图9.纳秒脉冲激光照射的a非晶和b晶体的烧蚀过程。

图10.在各种峰值激光功率强度下获得的激光烧蚀区域的3D拓扑,（e）–（h）为图3（a）–（d）中标记线的横截面剖面图,实验的激光脉冲数量均为1000。

图11.经(a)10J/cm²、(c)30J/cm²、(e)50J/cm²的各种激光能量密度处理的凹坑纹理表面的SEM显微照片和选定酒窝的相应横截面轮廓(b)(d)(f)。

图12.（a）-（c）是0.649W的较高平均功率下的形态。（d）–（f）是较低扫描速度1mm/s下的形态。

图13.不同激光能量密度下激光照射后铁基MG表面的SEM形貌：(a、b)0.85J/cm²、(c、d)1.39J/cm²和(e、f)1.89J/cm²

图14.(a)激光处理BMG棒材表面残余应力的模拟和(b)弯曲过程中力的示意图，(c)不同激光强度处理样品的应力应变曲线，曲线右侧出现断裂。

总结展望

综上所述，金属玻璃作为一种新兴的材料，相较于传统金属材料，金属玻璃有着众多优势，这也使得其在工业或医疗行业中有着巨大的潜力，飞秒激光和纳秒激光的出现让金属玻璃的应用更加广泛。本文从飞秒激光和纳秒激光与金属玻璃的相互作用微观机制、不同表面微纳结构的制备以及与性能的关系这是角度出发，较为详细的总结了近十几年来的研究现状。

此外，作者团队在理解上述研究的基础上，也将更进一步的对纳秒激光和飞秒激光加工金属玻璃方向进行研究，提出更多二者相互作用的机制，并用模拟的方式进行体现，为该方向提供更多有力的机理解释。除上述两种激光加工方式外，阿秒激光作为脉冲时间更短的激光，在与金属玻璃的作用中会产生哪些有趣的现象，目前还有待研究，相信这会对金属玻璃的发展提供重要帮助。

主要作者介绍

通讯作者：张培磊博士、教授

2010年毕业于上海交通大学，获博士学位。曾赴中南大学和德国弗朗霍夫ILT激光技术研究所从事访学研究。一直致力于激光与材料相互作用、激光智能制造系统的研究。目前已在激光智能制造领域的国际知名期刊发表 SCI、EI 收录论文100余篇，获得国家发明专利授权12项、实用新型专利授权5项。担任SVOA Materials Science & Technology期刊编委、Coatings期刊特刊编辑、Frontiers in Metals and Alloys期刊评论编辑、焊接杂志社青年编委、《金属加工（热加工）》编委，受邀为Materials Today、ACS Applied Nano Materials、Materials Science and Engineering A, Applied Surface Science, Journal of Alloys and Compounds 等多家国际著名期刊审稿人。目前为上海市焊接学会理事、中国机械工业教育协会焊接技术与工程专业教学委员会委员，中国机械工程学会焊接分会委员。作为项目负责人已完成国家自然科学基金、中央军委总装备部预研项目、上海市自然科学基金、上海市科委重点研发项目、上海市高新技术领域重点项目、新疆自治区科技援疆专项、克拉玛依市重大专项等多项国家、省市级课题的研究。还承担了上海电气电站设备有限公司、上海振华重工有限公司、上海外高桥造船有限公司、中科院等离子体物理研究所、中车青岛四方机车车辆股份有限公司、通快（中国）有限公司、上海三一重机等企业委托技术开发课题的研究，获得2015年上海科技进步一等奖，入选江苏省“双创人才”。

第一作者：张微林

张微林，上海工程技术大学硕士研究生，主要研究金属玻璃表面微纳结构的超快激光加工。

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