以BaZrO3为面层材料和Al2O3为背层材料, 在1 600 ℃保温8 h烧结制备BaZrO3/Al2O3复合模壳。通过光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜结合能谱仪等手段观察了面层与背层界面结合层水化前和水化后的物相与显微结构变化, 分析了模壳内界面结合层的水化过程及损毁机理, 并通过TiAl合金定向凝固实验, 研究了模壳损毁对定向凝固合金的影响。结果表明, 模壳面层BaZrO3与背层Al2O3在高温烧结过程中, 在界面结合处生成BaAl2O4; 而BaAl2O4在水化后生成Ba(AlO(OH)2)2、Ba2Al4(OH)16和Ba3(Al(OH)6)2, 导致晶粒体积变化破坏晶粒间结合力, 引发模壳裂纹的生成而导致损毁。在定向凝固过程中, 生成的裂纹会成为TiAl合金熔体渗透的通道, 而导致模壳出现熔体泄露, 并进一步导致了定向凝固的TiAl合金铸件中杂晶的出现。

铸锭晶体硅是太阳能级晶硅材料的重要来源之一，为了进一步降低硅片成本，需要在保证晶体质量的同时发展大尺寸铸锭晶硅。影响铸造晶体硅质量的热场控制核心参数包括晶体生长速度与生长界面温度梯度之比V/G、壁面热流q、生长界面高度差Δh和硅熔体内部温差ΔT等。针对铸锭晶体硅生长过程中的质量控制问题，本研究基于人工神经网络(ANN)模型对晶体生长过程建立了工艺控制优化方法，利用实验测量数据和数值仿真模拟结果构建铸锭晶体硅生长过程的工艺控制数据集，以底部隔热笼开口和侧、顶加热器功率比作为主要工艺控制参数，V/G、|q|、|Δh|和ΔT为优化目标，建立用于研究晶体生长工艺控制参数和热场参数之间映射关系的神经网络模型。使用训练完成的模型分析底部隔热笼开口及侧、顶加热器功率比对晶体生长过程热场的影响规律，并采用遗传算法(GA)对铸锭晶体硅生长过程的工艺控制参数以提高晶体质量为目标进行优化，最后结合实际生产中的检测图像讨论了V/G对晶体质量的影响。研究表明晶体生长中期的V/G沿横向变化较平缓，对应缺陷较少且分布均匀，因此增大V/G在横向上的均匀度也是提高晶体质量的一个重要因素。

两相有序共晶材料由于具有不同折射率的两晶相呈现有序排列, 可降低荧光在共晶材料内部的散射而实现导光功能, 可被应用于高分辨探测成像器件中。本工作根据定向凝固原理, 用微下降法生长技术制备得到了直径为3 mm的GdAlO3∶Tb3+-Al2O3两相有序共晶。通过SEM和元素分析, 探究了GdAlO3∶Tb3+-Al2O3共晶内部的微结构, 结果显示, 所得共晶中GdAlO3∶Tb3+晶相均匀有序地分布于基质Al2O3晶相中, GdAlO3∶Tb3+晶相直径的大小受生长速率的影响, 速率越快, 直径越小。所制备得到的GdAlO3∶Tb3+-Al2O3有序共晶在X射线辐照下发射出明亮的绿色荧光, 并在GdAlO3∶Tb3+晶相中定向传播, 有望被用作X射线探测成像材料, 提高探测器的空间分辨率。

定向凝固法制备的多晶硅是目前主要的光伏原材料，制备过程中热场结构和硅熔体对流形态对于生长高质量的多晶硅极为重要，本文利用专业晶体生长软件CGSim 对制备太阳能级多晶硅用真空感应铸锭炉中的石墨坩埚进行改进并进行了数值模拟，分析了不同石墨坩埚厚度的变化对热场、流场、固液界面、硅晶体应力场以及和V/G值的影响。结果表明，当石墨坩埚厚度为20 mm，可获得良好的对流形态、平坦的固液界面、合理的V/G值等，有利于节约多晶硅的生产成本并提高多晶硅的品质，为生产实践中工艺方案优化及缺陷分析等提供重要的理论依据。

研究了热处理对激光立体成形DZ125高温合金凝固微观组织的影响。结果表明，随着固溶处理温度的升高，初生γ′相的溶解增多，在1240 ℃固溶2 h后初生γ′相全部固溶；Ni5Hf相和MC(1)碳化物在高温保温时发生固态相变，经1180 ℃/2 h/空冷(AC)热处理后Ni5Hf相全部分解，释放的Hf元素与基体固溶的C原子结合形成MC(2)碳化物，部分MC(1)碳化物在1000 ℃保温12 h后转变为M23C6或M6C型碳化物；完全固溶处理后在1100 ℃和870 ℃时效时，γ′颗粒尺寸的变化规律及经验分布函数与Lifshitz-Slyozov-Wagner(LSW)理论预测的较为一致。拟合得到γ′相的粗化激活能为231.43 kJ/mol，γ′颗粒的粗化受Ti、Al原子在Ni中的扩散控制。

采用选区激光熔化(SLM)成形方法, 对SRR99镍基高温合金进行了定向凝固实验, 测试了试样的显微组织、相组成及元素偏析情况。结果表明, 沉积层与铸态基板间能形成良好的冶金结合, 沉积试样组织由γ相和γ′相组成, 沉积层与铸态基板组织在衍射角为50.78°时均有一个最强衍射峰, 基板的生长取向在SLM沉积组织中得到了很好的延续, 且试样的一次枝晶间距仅为1~2 μm, 二次臂退化甚至消失。各合金元素的偏析比均接近1, 元素在枝晶间和枝晶干的分布较均匀。

采用三维瞬态模型模拟了同轴送粉激光金属熔覆成形(LMD)技术制作直壁墙过程中温度场的演化，被加工的材料为定向凝固镍基高温合金Rene80。首先模拟了粉末在下落过程中与激光的相互作用，并分析了其对熔池温度场可能造成的影响，其次模拟了直壁墙成形过程中温度场的演化。模拟过程考虑了固液相变和液体流动对熔池温度场变化的影响，模拟过程所用的工艺参数为制作直壁墙实验中获得的最优参数。通过模拟获得的熔池温度场演化过程再现了成形过程中熔池形貌的变化及成形过程的不稳定性，模拟计算的温度场变化规律与实验测得结果相符。

定向凝固组织由于显著减少了垂直于应力轴的横向晶界, 使合金具有优异的高温蠕变及持久性能, 因而在航空发动机涡轮叶片的制造中使用越来越广泛。采用激光金属外延成形(E-LMF)方法, 进行了工艺参数对Rene80镍基高温合金定向凝固组织影响的研究。研究内容包括工艺参数对成形件定向凝固组织类型、枝晶间距和转向枝晶区高度的影响规律以及基材晶体取向对定向凝固枝晶形貌的影响。结果表明, 枝晶一次间距随激光功率的增加而增大, 随扫描速度的增加而减小; 转向枝晶区高度随激光功率的提高而增大, 随扫描速度的提高而减小; 只有基材晶体取向与择优取向相近或一致才能得到外延定向连续生长的凝固组织。

由于必须经受高转速、高压、高温等苛刻的工作环境, 航空发动机零部件在服役一段时间后会出现磨损、磨蚀、变形、开裂等损伤而无法继续正常使用, 重新制造并更换这些被判定为失效的零部件将给用户造成巨大的经济损失和时间损失。三维激光堆焊技术作为一项先进的修复技术, 能够实现损伤零件的高性能、快速响应修复, 和传统氩弧焊等修复工艺相比, 由于具有零件本体变形小、热影响区小、修复后零件性能几乎无损失等特点, 近年来该技术成为制造领域的研究热点并在航空发动机制造与大修中逐步开始获得应用。本文针对航空发动机叶片与热端部件的修复, 分析了影响三维激光堆焊技术获得工程应用的关键问题, 包括: (1)基于叶片损伤部位三维反求与重建数模的叶型精确堆焊与加工。(2)叶片本体与修复区界面处受热后裂纹。(3)定向凝固叶片/单晶叶片修复区组织的选择与控制。(4)激光修复后残余应力的消除及零部件本体的变形控制。在此基础上进一步评述了以上关键问题的解决途径。