为了深入研究高频超声振动(high-frequency ultrasound vibration, HFUV)对飞机薄壁结构激光焊接微熔池的影响机理, 借助COMSOL软件, 建立了激光微熔池模型, 开展了旁触式单振源模式下振幅、超声加载位置等参数对熔池声压作用规律的仿真计算, 分析了超声空化效应和声流效应的产生条件, 并试验验证了超声功率对接头微观组织以及生成相的影响。结果表明, 高频超声振动使得激光微熔池内部声压产生正负交替变化, 温度场更加均匀, 有利于空化泡的形成、闭合和超声空化效应的产生, 降低残余应力; 超声加载位置、超声振幅与熔池输入声压成正比, 超声加载位置每靠近熔池10 mm, 熔池声压增大2~3倍, 每增大4 μ倍的振动幅值, 熔池输入声压增大10 Pa; 超声振动对熔池主要起搅拌作用, 当振幅＞7 μm、加载位置到熔池距离＜60 mm时可产生声流效应, 距离＜15 mm时, 影响机制则以空化效应为主; 随着辅加超声振动场强度的增大, 焊缝组织的晶粒度呈单调增加的趋势, 即组织随超声功率的增加逐渐细化。

为改进激光焊接质量，在1CR13不锈钢激光焊接过程中施加超声振动对焊接件进行跨态处理，通过焊缝组织观察和分析，研究超声振动对激光焊接影响的规律。试验结果表明，在超声振动作用下，焊缝与基体结合界面处柱状晶定向凝固受到影响，部分柱状晶结晶方向趋于杂乱，断面晶粒度随振动功率增加呈增大趋势，晶粒得到细化。结合金属凝固理论与超声空化理论，分析超声振动对焊接熔池作用的机理，认为超声振动产生的空化效应造成焊接熔池微区温度降低与局部高压，增加了熔体结晶驱动力，减小了凝固激活能，提高了形核率，得到了更加细密的组织。

将超声振动实时施加到激光重熔修复金属材料过程, 通过力学性能测试与断口分析研究超声振动对激光重熔修复工艺的影响。结果表明, 超声振动增加了激光重熔试样的抗拉强度, 强度最高恢复至母材强度的83%, 在所选振动功率范围内, 振动功率越高, 试样强度越好。重熔试样的断裂为源于重熔区域的脆性断裂, 断口呈明显的沿晶断裂特征; 超声振动使试样重熔区断口由沿晶断裂向穿晶断裂转变, 重熔区域断口表现比较均匀。

为了研究脉冲激光加热金属板的温度场和应力场的特点, 基于弹塑性力学理论, 采用有限元分析方法, 对脉冲激光扫描过程中金属板的温度场和应力场进行了3维数值模拟, 得到了温度场与应力场在时间和空间上的分布和变化规律。结果表明, 在脉冲激光扫描加热作用下, 金属表面发生多次熔化和凝固, 温度时间曲线呈锯齿形; 重熔区域应力场变化剧烈, 随间歇的激光脉冲发生强烈的拉-压应力波动; 金属基体冷却后在重熔区域留有高值残余拉应力, 纵向应力达799MPa, 横向应力达700MPa。

为了改进钛合金的耐磨性能，开发在高温环境、大温度落差条件下使用的具有热应力缓和功能的新型涂层，应用Nd∶YAG激光在钛合金表面制备了钛基梯度功能耐磨涂层，观察了微观组织，分析了生成相，测量了梯度功能耐磨涂层、非梯度功能耐磨涂层和Ti600基体在大气环境室温下的摩擦磨损性能。结果表明，原位合成的TiC球状增强相弥散均匀分布在梯度功能耐磨涂层中，主要呈3种不同的形态，即粗大的或不完整的树枝晶、相对较为细小的等轴晶或近似等轴晶和细小短纤维状；梯度功能耐磨涂层和非梯度功能耐磨涂层表现出较优异的耐磨性能，摩擦系数和磨损率显著降低，平均是Ti600基体的0.3倍~0.5倍。

为探讨铝元素在激光微熔池中真正能实现的作用, 借助 Nd:YAG激光在 TC4表面分别进行了Ti＋w(Al)＝(1％～8％)激光熔覆实验。观测了微观组织、显微硬度和摩擦磨损性能随铝含量变化规律, 分析了生成相, 并定量分析生成有序化琢2相(Ti3Al为基)时的铝含量。结果表明, 微观组织由粗大的或不完整的树枝晶、相对较为细小的等轴或近似等轴晶和网篮状柱状晶组成。铝含量(质量分数 ,％)为 6时, 熔覆层中即有琢2相(Ti3Al为基)生成。随铝含量增加, 显微硬度呈上升趋势, 最高为 900 HV, 是铝含量(质量分数 ,％)小于 6时试样的 1.3～1.5倍。耐磨性能逐步提高, 摩擦系数和磨损率均呈降低趋势, 而且以 Ti3Al基琢2脆性相的生成为转折点, 生成后为生成前的 0.5～0.7倍左右。

为改进钛合金的耐磨性能，开发在高温环境、大温度落差条件下使用具有热应力缓和功能的新型涂层，应用激光技术在钛合金表面制备了钛基梯度功能耐磨涂层，分析了梯度层宏观形貌和微观组织，并测试了各主要元素梯度变化规律。结果表明，梯度层和基材实现良好冶金结合，白亮熔合线区宽度10～20μm。随着氧化铬含量的改变，各梯度层微观组织均发生变化。各层之间过渡缓和自然，平行间距均为0.3mm。第一层以等轴晶为主，第二层绝大多数为细化的球状、块状颗粒和少部分树枝状晶粒，第三层以枝晶为主。各元素SEM线扫描分布规律和理论设定规律总体趋势一致，符合梯度规律变化的理论要求。

为了解决激光直接制造金属零件中同轴送粉喷嘴气体保护效果不佳的问题，采用烟雾流动显示技术对喷嘴保护气体流场进行了研究。系统研究了喷嘴保护气流速率、喷嘴出口距零件表面距离、喷嘴移动速率和侧风速率对气体保护效果的影响。结果表明，随着喷嘴保护气流速率的增加，保护范围先增加后减小；随着侧风速率和喷嘴移动速率的增大，气流轴线偏离喷嘴轴线距离增大；当侧风速率超过喷嘴气流速率50%，距喷嘴出口10mm处，气流完全偏离喷嘴轴线，完全失去对金属熔池的保护。这一结果为选择合适的喷嘴气流参量提供了依据。

为解决飞机结构损伤激光在线快速修复过程中同轴送粉喷嘴气体保护效果不佳的问题,利用粒子图像测速(PIV)、烟雾流动显示技术和Fluent软件对喷嘴保护气体流场进行了研究。系统分析了喷嘴气流速度变化、侧吹气流速度对喷嘴气体冲击射流场的影响。结果表明,当喷嘴三个喷口气流速度接近一致时,湍流扩散区消失,流场稳定。当喷嘴中心气流速度小于外环气流速度时,工件表面出现旋涡,破坏了流场的稳定性。侧风对喷嘴气体保护范围影响较大,随着侧风速度增大,气流轴线偏离喷嘴轴线距离增大。当侧风速度超过喷嘴气流速度50%时,喷嘴保护气流混入空气,完全失去对金属熔池的保护。

激光同轴送粉喷嘴是激光直接制造系统中核心部件之一,喷嘴的保护气体流场对金属粉末的流动和零件材料的性能影响较大。研究应用粒子图像测速(PIV)技术测量激光同轴送粉喷嘴轴截面保护气体的流场,并对此进行了相应的计算与分析。结果表明,喷嘴三个喷口之间的壁厚对喷嘴附近的流场影响较大,促使喷嘴喷口处产生两对对称旋涡,不利于粉末的输送和聚焦。喷嘴的三个喷口的喷出气流速度一致时,速度界面的湍流扩散和动量交换较小,将产生一个有利于输送金属粉末的稳定流场。