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。

为进一步提高铝基复合材料的强度与韧性，避免强韧性倒置关系，通过在铝基体中加入不同体积分数与尺寸的钛合金骨架结构，制备出强韧性可调控的仿竹纤维Al-Ti复合结构。研究发现：钛合金强化骨架与铝合金基体界面间发生了扩散反应，形成了致密的冶金结合，界面内析出相为钛铝金属间化合物。与传统铝基复材相比，复合结构铝基复合材料抗压强度高达380~1085 MPa，形成一体化微/宏观“高强-高韧”纤维状复合结构。对微观变形机制进行研究：高强度化合物的析出有效阻止了异质界面内裂纹萌生、扩展。同时高分辨下观察发现，界面内析出的Ti₃Al相变形后在晶粒内部形成了有效的变形孪晶，提升了界面内高、低模量析出相间协调变形能力，是复合结构增强-增韧的主要机制。

翘曲变形与开裂是激光沉积制造大型整体结构的瓶颈，限制了该技术的发展。为解决这一难题，笔者基于表面形貌监测系统提出了一种翘曲变形原位检测及开裂预测新算法。通过坐标系校准、滤波降噪、曲面重构等实现了原位检测与数据预处理，采用旋转切片和平行切片两种方案求取切片与重构表面的交线，计算交线的翘曲角与翘曲角变化量，根据翘曲阈值与开裂阈值判定翘曲变形并预测开裂。设定的阈值与制件尺寸呈反比关系，与翘曲度呈正比关系。实验结果表明：翘曲样件X向的最大翘曲角为3.98°，且该方向所有交线的翘曲角均超出了翘曲阈值（3.27°），判定发生翘曲变形；薄壁件开裂影响区内翘曲角的最大值在第46~51层呈连续正增长趋势，翘曲角变化量为1.58°，且80%的交线的翘曲角变化量超出了开裂阈值（1.53°），判定即将发生开裂，继续沉积至第55层时出现开裂。通过实验证实了所提算法检测翘曲与预测开裂的有效性，对激光沉积制造技术的发展具有重要意义。

为研究大型构件激光同轴送粉增材连接过程中的热、力、变形，探明三者分布规律和演化特性，采用ANSYS参数化设计语言，通过编程，实现对连接过程的有限元数值仿真。结果表明，由于连接区域占比较小，热影响区集中分布在连接缝周围，当接缝之间距离较小时，热影响区产生重叠。接缝处应力在连接阶段和冷却阶段表现出不同特征：连接时，应力数值不高，应力集中也不明显；冷却初期，应力数值增大的同时范围趋于集中，一段时间后，应力会在高位稳定，接缝处形成集中高应力区。在边界条件制约下，框架纵向翘曲比较明显，圆柱孔连接后会产生形状误差。由于只存在根部与框架之间的变形协调约束，肋板会产生不同方向、角度的偏转。连接位置和约束方式对成形精度有很大影响。

通过机械混粉的方式在常规GH4169合金粉末中加入一定比例的Al粉末(质量分数分别为0、0.50%和0.85%)，通过激光沉积制造技术进行块体材料的制备，研究Al元素含量变化对GH4169合金沉积态及热处理态试样微观组织的影响，并对不同成分合金的高温组织稳定性进行深入分析。结果表明：激光沉积制造不同Al含量GH4169合金沉积态试样的显微组织均表现为外延生长的柱状晶特征，随着Al含量的增加，Laves相与枝晶间区域的元素偏析程度降低，合金的二次枝晶形貌逐渐发达。差式扫描热结果显示：随着Al含量的增加，NbC碳化物和γ基体的熔点降低；经固溶＋时效热处理[980 ℃/1 h，空冷(AC), 720 ℃/8 h，炉冷(降温速率为50 ℃/h)至620 ℃/8 h，AC]后，Laves相大量溶解，针状δ相析出，且随着Al含量的增加，δ相发生碎化；不同成分合金经680 ℃/100 h高温时效热处理后，δ相数量随着Al元素含量的增加先减少再增加，GH4169＋0.5Al合金的δ相数量最少，组织的热稳定性最好。

为解决激光增材制造中由于温度分布不均匀而导致的成形件的变形、开裂等问题,本文提出了一种基于特征区域的分区扫描策略。利用ANSYS模拟了L型与T字型这两种特征区域的沉积制造过程,分析了不同扫描起点位置对特征区域温度场分布和基材节点热循环的影响,得到了这两种特征区域的最佳扫描起点位置。在此基础上,模拟了三种基于特征区域的跳转扫描顺序沉积成形件的过程,得到了不同跳转扫描顺序下成形件的温度与应力分布,并通过热电偶测温与基材翘曲变形实验对模拟结果进行验证,实验结果与模拟结果相吻合。研究结果表明,基于特征区域的最大跨距跳转扫描策略可使沉积制造过程中基材的温度分布更均匀,成形件应力与变形量更小,有利于提高成形件的尺寸精度。

在激光沉积制造过程中,热累积等因素会导致实际成形形貌与理想形貌存在较大偏差,从而阻碍沉积制造的进一步进行。为此,本文提出了基于点云数据的形貌偏差检测与控制方法。采用高速轮廓测量仪扫描沉积体表面,将获得的形貌点云数据与沉积层切片理论数据进行对比,提取出构成偏差区域的点云数据,对偏差点云进行分层切片,然后运用图像边界识别算法提取切片偏差轮廓,确定偏差轮廓区域在原始切片轮廓区域中的准确位置,改变偏差轮廓区域内的填充间距,为其填充成形轨迹,最后生成沉积程序并对偏差区域进行补偿加工。实验结果表明,补偿后获得的成形表面的平面度误差较补偿前减小了65.1%。本文方法能够显著提高零件的成形精度,实现了检测和补偿的自动化,使激光沉积制造可以连续进行。

以球磨TiB2和Ti-6Al-4V混合粉末为原料,采用选区激光熔化(SLM)技术制备了增强相为TiB的钛基复合材料,分析了B元素含量对SLM成形钛基复合材料显微组织和力学性能的影响。研究结果表明:在SLM过程中,TiB2与Ti元素发生反应生成针状TiB增强相,B元素含量较高的试样中出现了针状增强相聚集的现象;由于B元素的存在,钛基复合材料中的α相明显细化;相比于传统的Ti-6Al-4V合金,TiB/Ti-6Al-4V复合材料的显微硬度、抗拉强度以及屈服强度均有明显改善。钛基复合材料优异的力学性能归因于TiB增强相的硬化、强化效应以及基体的晶粒细化。当B元素的质量分数为0.5%时,α片层的平均尺寸为0.49 μm,钛基复合材料的抗拉强度和屈服强度相比于Ti-6Al-4V分别提高了25.7%和30.8%,抗拉强度为1396.4 MPa,屈服强度为1322.2 MPa。

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。

利用OM(光学显微镜)、SEM(扫描电子显微镜)对激光沉积TA15钛合金疲劳裂纹扩展行为进行研究。结果表明: 由于激光沉积自身特性, 沉积试样具有较强的组织敏感性, 疲劳裂纹易起源于气孔且裂纹源区有明显的α/β片层撕裂特征并伴随有与α单个片层或α集束尺寸相当的解理断裂平面。疲劳裂纹扩展稳定期路径曲折, 这与片层组织中α集束位向不同有关。一定区域内疲劳裂纹平行α片层或近似垂直α片层扩展, 裂纹扩展遇到α相时主要切过α片层向前扩展, 并伴有二次裂纹的出现; 裂纹稳定扩展期是以疲劳条带机制为主, 也伴随解理断裂机制。