在对K4169合金母材进行修复前采用不同的工艺进行热处理，以获取两类不同的显微组织，然后对比分析了母材的显微组织分和力学性能，并系统研究了修复试样热影响区液化裂纹的敏感性和产生机制。研究结果显示：在均匀化固溶时效条件下，母材主要由Laves相、δ相以及碳化物组成，修复试样母材与热影响区的平均显微硬度分别为220 HV和210 HV，修复试样的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为870.7 MPa、618.9 MPa和7.7%，断裂位置位于母材。在均匀化热等静压固溶时效条件下，母材主要由δ相以及碳化物组成；修复试样中存在裂纹，裂纹分布在母材一侧，横截面上裂纹的平均长度可达0.68 mm，最大裂纹长度为0.72 mm；热影响区液化裂纹的发生与母材的组织成分、晶粒度密切相关。相较之下，均匀化热等静压固溶时效合金修复试样母材与热影响区的平均硬度都较低，分别为210 HV和200 HV，Laves相和δ相的含量对母材和热影响区的显微硬度均有影响，抗拉强度和屈服强度分别降低了20.3%和38.4%，但延伸率有所升高，断裂位置在热影响区。两种试样都未断在修复区，这是因为修复区的晶粒更细，产生了细晶强化作用。

第二相对增材制造钛合金材料的组织与性能有显著影响。将不同质量分数的B粉与Ti-6Al-4V粉末混合,在激光沉积制造(LDM)工艺下制备出块状样品,结合样品的室温拉伸性能,对第二相在显微组织形成、基体形变过程中的强化机制进行了讨论。研究结果表明,在LDM过程中,B与Ti-6Al-4V合金中的Ti发生原位反应,生成针状TiB第二相,并均匀分布于基体中。随合金中TiB含量的增加,原始β柱状晶尺寸逐渐减小,晶内片层状α相逐渐粗化,合金的室温拉伸强度和塑性均获得提高。TiB与基体α相间具有严格晶体学位相关系,在阻碍基体应变过程中,针状TiB易沿直径方向断裂,断裂处在随后的形变过程中形成孔洞。最佳强化效果出现在含有B粉质量分数为0.1%的样品中,原因在于当合金中B粉质量分数过大时,会出现过多的针状TiB断裂,此时连续孔洞转变为微裂纹,导致材料塑性下降。

采用同轴送粉激光增材制造工艺制备了Ti-6Al-2Mo-2Sn-2Zr-2Cr-2V钛合金,研究了沉积态及热处理态合金的组织,测试了热处理后合金的疲劳性能,分析了热处理前后合金组织的演化规律,讨论了显微组织、组织缺陷对疲劳性能的影响。研究结果表明:沉积态合金组织由向外延生长的粗大β柱状晶组成,晶内为细长的α片层和晶间β相组成的网篮组织,α相的体积分数明显多于β相;在两相区固溶时效后,组织仍由粗大的柱状晶组成,晶内α相粗化,β相体积分数明显增加;与同工艺条件下制备的Ti-6Al-4V合金相比,热处理Ti-6Al-2Mo-2Sn-2Zr-2Cr-2V合金的疲劳性能在高应力区高于Ti-6Al-4V合金,在低应力区低于Ti-6Al-4V合金;两合金在合金元素含量、相组成、组织尺寸等方面的差异是影响疲劳性能的主要因素;断口分析表明,疲劳源均形核于条状未熔合缺陷及气孔缺陷处,且缺陷直径越大,距离表面越近,应力集中现象越明显,疲劳寿命越低。

为了研究电磁搅拌对TA15钛合金激光熔池的影响, 构建了一种三相三极旋转式电磁搅拌器作用下微小熔池内部的磁流体力学数学模型。运用该模型计算了不同激励电流情况下磁场中心处的磁感应强度和熔池内熔体周向流速, 分析了其对熔池温度分布和组织形成的影响。并采用试验手段对分析计算结果进行了验证。结果表明: 电磁力驱使熔体作周向运动, 且随着远离磁场中心, 洛伦兹力越大, 周向流速越大。随着激励电流的增大, 磁感应强度增强, 熔质周向流速增大。流速加剧能够降低熔池内温度及凝固界面处的温度梯度, 有利于等轴晶的增多。试验证明施加磁场后熔池顶部组织出现等轴晶, 且随着远离磁场中心, 熔池顶部的等轴晶数量逐渐增多, 与计算结果的分析趋势相吻合。

以TA15钛合金球状粉末为原料, TA15钛合金锻件为基材, 利用激光沉积制造技术成形TA15钛合金厚壁件。利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)以及显微硬度仪等方法研究退火温度及保温时间对激光沉积TA15钛合金显微组织和显微硬度的影响。结果表明: 退火温度相同时, 随着退火温度的升高, 保温时间越长, α相就越能充分生长。退火保温时间越长, α相宽度越大。退火温度及退火保温时间影响α相体积百分比含量, α相百分比含量随退火时间延长而增多。α相在不同保温时间下存在不同的生长方向。显微硬度值与α相体积百分比含量具有一定关系, α相体积百分比含量增多时, 显微硬度值变大。

采用激光沉积制造(LDM)技术制备了γ-TiAl合金(Ti-48Al-2Cr-2Nb)试样, 并对不同工艺条件(激光功率和扫描速度)下试样的相组成、显微组织及显微硬度进行了分析。结果表明, 经LDM工艺制备的γ-TiAl合金显微组织特征为等轴状的初生晶粒内包含有细小层片状的γ、α2相和B2相; 扫描速度恒定, 随着激光功率的增加, 初生等轴晶晶粒尺寸逐渐增大, 晶内的α2相和B2相含量逐渐增加, γ相含量降低, 合金显微硬度逐渐增大; 激光功率恒定, 随着扫描速度的增加, 初生等轴晶晶粒尺寸逐渐减小, 晶内的α2相和B2相含量逐渐减少, γ相含量增加, 合金显微硬度逐渐增大。经综合分析认为激光功率1 200 W、扫描速度7 mm/s为最佳的γ-TiAl合金LDM工艺参数。

在激光沉积制造时, 粉末汇聚性是保证成形质量的关键因素。为了改善粉末的汇聚性, 采用气固两相流理论对载气式同轴送粉喷嘴纵吹气帘气压力大小对粉末汇聚性影响进行了数值模拟, 应用FLUENT软件中的离散相模型计算了粉末流场速度和浓度分布规律及汇聚特性。模拟结果表明, 纵吹气压力较小(0.3 MPa)时会导致粉末流充满整个流场域, 汇聚性极差; 气压力较大(0.7 MPa)时同样粉末汇聚性较差, 影响沉积制造成形质量; 气压力为0.5 MPa时汇聚性良好, 且在焦点到焦点以下10 mm的汇聚区进行激光沉积制造能形成较好的熔池, 成形质量较好同时提高了粉末利用率。试验结果验证了模拟结果的合理性, 数值模拟结果对同轴送粉喷嘴设计和结构优化具有较大的参考价值, 并解决了现有喷嘴粉末汇聚性较差问题。

以TA15钛合金球状粉末为原料，利用激光沉积制造技术制备了TA15钛合金厚壁件。研究了不同的退火温度对激光沉积TA15钛合金的拉伸力学性能及显微组织的影响，分析了经不同温度退火后合金的断裂机理以及晶界两侧α团簇的变形机制。结果表明，经退火处理后的合金显微组织中α相排列有序，α片层厚度随退火温度的变化不大；显微硬度值受α相含量影响，但随退火温度变化不大；晶界两侧α团簇变形机制不同；裂纹易在β相处萌生并扩展；沿着沉积方向和垂直于沉积方向上的合金拉伸断裂机制不同，分别为韧性断裂和半韧性半解理断裂。