以TC4钛合金为研究对象，采用数值模拟与试验相结合的方式，研究了激光冲击TC4钛合金表面金属塑性变形和体积流动规律，分析了塑性变形驱动金属表层体积流动、应力重构、晶粒细化的机制。研究结果表明：激光冲击塑性变形使得光斑中心区域材料向着边缘及材料内部流动。整体塑性变形体积数值计算结果显示：当功率密度为1.58、2.25、3.02 GW/cm²时，表面凹坑体积大致等于内部正向变形体积与表面环状凸起体积之和，在无相变体积改变的情况下，试件整体塑性变形符合体积不变定律；不同激光功率密度作用下的表面残余应力分布与表面塑性变形分布规律大致相同，存在对应关系；表面凹坑变形、环状凸起变形、内部凸起变形各区域粒径尺寸分别为99、108、136 nm，晶粒细化程度在表面凹坑区、环状凸起变形区域、内部正向变形区域依次递减。此外，光斑边缘出现的微凸起变形在受到搭接激光冲击作用后，再次发生塑性变形，微凸起变形在冲击载荷方向被压回，向着材料内部流动；凹坑表面各光斑边缘处依旧存在较小的微凸起变形。

铝合金密度低、比强度高、耐腐蚀性能好，是一种优异的轻量化金属材料。为了提升激光选区熔化（SLM）技术成形铝合金的力学性能，提出将Cu元素作为单质颗粒掺入铝合金材料的强化方法，探究了Cu元素掺入比例对SLM成形铝合金打印质量和性能的影响。结果表明，Cu粉的掺入简单有效地细化了铝合金显微组织晶粒，提高了基础铝合金材料的拉伸强度。Al₂Cu相能有效细化晶粒，在搭接区域形成更细密的微观等轴晶组织。随着铜粉掺入量的增大，组织内部生成的Al₂Cu相逐渐增加，晶粒尺寸逐渐减小，从3.30 μm减小至2.12 μm，显微组织得到了细化。掺入质量分数5%铜粉的样件具有最高的拉伸强度为460 MPa，较未添加样件提高了20.4%，但是过量铜粉掺入后，样件内部因为存在未熔颗粒性能有一定程度的下降。该研究对于进一步提高SLM成形铝合金的力学性能具有重要意义。

针对TiAl基合金激光焊接过程中出现的裂纹问题，利用扫描电镜(SEM)及电子背散射衍射(EBSD)等方法研究了TiN相对接头焊缝相变织构及晶粒细化的影响。研究结果表明：当焊缝中没有TiN相时，焊接接头成形良好且没有缺陷，焊缝组织主要为Burgers α₂相，焊缝区域的完整凝固路径为L→L＋β→β＋α→α＋γ→α₂＋γ；当焊缝中存在TiN相时，焊接接头产生了贯穿性裂纹缺陷，主要原因是TiN是一种脆硬相，在激光焊接过程中极易引发裂纹。焊缝组织主要由TiN枝晶相及non-Burgers α₂相组成，同时TiN相和α₂相之间存在一定的取向关系即{111}TiN//{0001}α2。TiN相对焊缝组织有晶粒细化作用。焊缝区域的完整凝固路径为L→TiN＋L→TiN＋β→TiN＋α＋γ→TiN＋α₂＋γ。

在TC4粉中加入不同含量的硼粉进行激光增材制造试验,研究了硼对激光增材制造TC4钛合金微观组织及力学性能的影响。结果表明:添加微量硼可以有效细化原始柱状晶和晶内的板条α相;当硼的质量分数为0.05%时,原始β柱状晶的生长被限制,柱状晶的宽度明显减小;当硼的质量分数为0.1%时,原始柱状晶大量转变为等轴晶,晶内板条α集束的尺寸减小;对比没有添加硼的激光增材制造TC4,TC4-0.05B的塑性明显提高,但强度的变化不明显;沉积态和固溶时效态TC4-0.05B力学性能的各向异性都较小。

The 2024 aluminum alloy is used extensively in the aircraft and aerospace industries because of its excellent mechanical properties. However, the weldability of 2024 aluminum alloy is generally low because it contains a high number of solutes, such as copper (Cu), magnesium (Mg), and manganese (Mn), causing solidification cracking. If high speed welding of 2024 aluminum alloy without the use of filler is achieved, the applicability of 2024 aluminum alloys will expand. Grain refining is one of the methods used to prevent solidification cracking in weld metal, although it has never been achieved for high-speed laser welding of 2024 aluminum alloy without filler. Here, we propose a short-pulsed, laser-induced, grain-refining method during continuous wave laser welding without filler. Bead-on-plate welding was performed on a 2024- T3 aluminum alloy at a welding speed of 1 m min^-1 with a single mode fiber laser at a wavelength of 1070 nm and power of 1 kW. Areas in and around the molten pool were irradiated with nanosecond laser pulses at a wavelength of 1064 nm, pulse width of 10 ns, and pulse energy of 430 mJ. The grain-refinement effect was confirmed when laser pulses were irradiated on the molten pool. The grain-refinement region was formed in a semicircular shape along the solid– liquid interface. Results of the vertical section indicate that the grain-refinement region reached a depth of 1 mm along the solid–liquid interface. The Vickers hardness test results demonstrated that the hardness increased as a result of grain refinement and that the progress of solidification cracking was suppressed in the grain refinement region.

为了解决纳米复合电沉积加工速率慢、颗粒易团聚以及沉积层表面质量差等问题, 采用构建高能脉冲激光辅助纳米复合电沉积的方法, 利用激光辐照产生定域微区搅拌, 缓解颗粒团聚现象, 加速电化学反应速率, 提高沉积层表面质量, 并对加工过程进行了有限元仿真和实验验证。结果表明,激光与电化学复合能够明显的提高复合沉积速率, 且激光的冲击作用能够提高晶粒的结合性, 进而促进镀层的致密化;同时此冲击作用也能降低纳米粒子的团聚几率, 细化镀层晶粒。此研究结果对电解加工技术的发展具有一定帮助。

实验分析了不同工艺参数的激光冲击处理对5083铝合金力学性能的影响, 结果表明:与未处理试样相比(336.44 MPa, 99 HV), 经过激光能量密度4.47 GW/cm2与5.62 GW/cm2冲击处理后, 试样的抗拉强度分别提升至347.02 MPa与353.13 MPa, 硬度分别提高了17%与27%。同时, 晶粒的尺寸与未处理试样相比明显变小, 晶粒细化明显。综上所述: 激光冲击强化产生的塑性变形引起的晶粒细化能有效提高材料的抗拉强度与表面硬度。

为了研究脉冲激光冲击效应对定域电沉积铜晶粒及其表面形貌的影响, 搭建了脉冲激光电化学复合沉积实验系统, 并进行了理论分析和实验验证。对沉积过程中的冲击效应进行了检测, 采用扫描电子显微镜观察沉积体的表面形貌。结果表明, 利用脉冲激光与电沉积液的相互作用, 可细化定域电沉积晶粒。此外, 激光能量增大时, 沉积体晶粒细化, 宽度增大, 沉积体表面形貌更加平整, 内部气孔减少。