激光增材制造铝合金构件室温及高温力学性能对于提升其在航空航天等领域的服役稳定性至关重要。本文研究了成形方式对激光粉末床熔融(LPBF)AlSi10Mg构件室温压缩性能、高温拉伸性能、高周疲劳性能和室温裂纹扩展速率等力学性能的影响规律。结果表明：水平方式成形试样(拉伸、压缩、疲劳等载荷平行于试样铺粉方向)具有更优的压缩性能，表现出更优异的抗压强度及屈服强度(分别为201.0 MPa与251.3 MPa)；在高温拉伸试验中，不同成形方向试样的抗拉强度及屈服强度随着试验温度升高(从100 ℃升至175 ℃)均呈下降趋势，而延伸率均逐渐升高，且水平方式成形试样的拉伸性能均优于垂直方式成形试样(载荷垂直于试样铺粉方向)。垂直方式成形AlSi10Mg合金试样经历10⁷循环周次的中值疲劳强度为151.25 MPa，疲劳寿命约为2.1×10⁵周次，疲劳裂纹扩展门槛值为0.981 MPa·m^1/2。

为了研究激光熔化沉积高性能合金钢构件的疲劳问题, 采用扩展有限元法和直接循环分析相结合的方法, 进行了典型件疲劳裂纹扩展路径的分析,并进行了剩余寿命的预测。通过中心裂纹拉伸(CCT)试样的疲劳试验获得了材料Paris公式中的参量, 并将其用于有限元模拟中。同时, 分别运用有限元模拟方法和试验方法研究了CCT、紧凑拉伸-剪切试样的裂纹扩展过程。结果表明,有限元法得到的裂纹扩展路径和疲劳寿命与试验结果吻合良好, 其中裂纹扩展路径偏转角的误差在16.54%以内, 疲劳寿命的误差在2.72%以内。该方法可以较好地预测激光熔化沉积高合金钢构件的疲劳裂纹扩展路径和剩余疲劳寿命, 具有一定的工程意义。

采用选区激光熔化技术制备了GH3536合金，并研究了热等静压和固溶处理对GH3536合金的组织、力学性能和疲劳裂纹扩展性能的影响。结果表明：沉积态合金中存在熔池、枝晶、柱状晶以及孔洞和裂纹缺陷；热等静压能有效愈合缺陷，消除熔池和枝晶，并使晶粒长大为等轴晶，但是会导致碳化物沿晶界连续析出；固溶处理后大量碳化物回溶到基体。沉积态合金的抗拉强度、硬度和伸长率分别为782.1 MPa、227.9 HV和17.7%，缺陷是影响合金塑性的重要因素；热等静压处理后，合金的抗拉强度和硬度分别降为693.7 MPa和170.4 HV，伸长率上升到34.7%；再经固溶处理，合金的抗拉强度和硬度分别回升至741.0 MPa和180.6 HV，伸长率为48.7%。相比较而言，沉积态合金的疲劳裂纹扩展抗力较低，而热等静压+固溶处理使合金的疲劳裂纹扩展抗力得到了提升。

针对铝合金结构服役过程中的疲劳裂纹监测问题,提出了一种基于光纤光栅传感阵列的疲劳裂纹实时监测方法。首先,结合扩展有限元技术获得裂纹扩展过程的应变场分布特征,进行传感器布局设计;其次,通过疲劳加载实验获取加载次数、裂纹长度对波长峰峰值的响应特征,采用三参数指数法进行疲劳扩展a-N(其中N为加载次数,a为裂纹长度)曲线拟合;在实验数据基础上,采用梯度提升回归树算法搭建疲劳损伤预测模型,并将其与线性回归、支持向量两种方法进行对比,选取可释方差、平均绝对误差、平均方差、决定系数和五折交叉验证等多种指标进行模型评估。结果表明,梯度提升回归树算法对疲劳裂纹长度的预测效果最佳。

采用标准紧凑拉伸试样对比了超低碳贝氏体钢激光电弧复合焊接接头的电弧主导区、激光主导区、热影响区和母材区的疲劳裂纹扩展速率,总结了各微区疲劳裂纹的扩展特征,分析了裂纹扩展路径发生偏折的原因。结果表明:随着应力强度因子增大,各微区的裂纹扩展速率均提高,但热影响区和母材区裂纹扩展速率的增长率随着应力强度因子的升高而减慢;当应力强度因子较低时,各区疲劳裂纹扩展速率由快到慢的顺序为母材、热影响区、电弧主导区、激光主导区;随着应力强度因子升高到一定值,各区疲劳裂纹扩展速率由快到慢的顺序变为激光主导区、电弧主导区、母材、热影响区;裂纹在热影响区内扩展时的扩展方向会发生明显偏折,并随着应力强度因子增大而产生大量二次裂纹,在焊缝的裂纹中仅发生小幅偏折,这与材料的成分和组织不均匀有关;通过观察各微区的断口认为二次裂纹的产生与硬质相颗粒有关,二次裂纹的产生也是疲劳裂纹扩展速率变化的重要原因。

针对金属疲劳裂纹检测研究不深入的问题，本文以金属平板疲劳裂纹为研究对象，搭建了超声红外锁相热像检测实验系统，分析了调制超声激励下裂纹生热及热信号频谱的规律。研究结果表明：裂纹区域温升以裂纹根部为圆心向外呈圆形辐射状分布，而且温升逐渐递减，但是在调制频率处，裂纹区域与正常区域的相位差和幅值差明显高于其他频率处的数值。进一步，基于实验方法揭示了预紧力和调制频率等检测条件对幅值差和相位差的影响。研究成果将为超声红外锁相热像技术的金属疲劳裂纹检测研究提供理论支撑。

通过激光-熔化极稀有气体保护电弧(MIG)复合焊得到了7020铝合金焊接接头，基于电子背散射衍射技术和高精度同步辐射X射线成像等，研究了该接头微观组织、力学性能、疲劳行为及断裂机制。结果表明，在焊接热循环作用下，冷却后复合焊接头各区域的晶粒形态、尺寸及组织成分发生了明显变化。接头静载抗拉强度和屈服强度分别为265.34 MPa和218.85 MPa，接头强度系数为0.74。在50%存活率下，当疲劳寿命为2×106循环周次时，复合焊接头的疲劳强度为96.13 MPa，约为母材的63.14%，焊接过程降低了材料的疲劳性能。疲劳裂纹萌生于复合焊接头熔合区表面深约103 μm的缺口处，呈典型I型四分之一椭圆裂纹扩展形貌。在稳定扩展阶段，气孔对疲劳裂纹扩展速率的影响较小。

超声红外锁相热像技术是一种将调制激励和锁相技术应用于红外热像检测的新型无损检测技术。针对缺陷生热及传热研究中存在的摩擦生热过程难以有效模拟、缺陷内部生热机理不清等理论问题, 采用电-力类比方法, 建立了含疲劳裂纹金属平板与超声激励系统的有限元模型, 研究了调制超声激励下裂纹区域和裂纹面的生热特点, 结果表明: 在调制超声激励下, 裂纹区域生热呈现出周期性上升的特点, 因预紧力的作用, 靠近激励同侧的裂纹面区域生热更明显。基于仿真分析和Green函数, 建立了裂纹摩擦生热的传热理论模型, 进一步探究了裂纹区域温度分布规律; 最后利用被测平板上下表面温度比值(P值)对热源深度进行了估计, 证明了仿真结果与理论计算的一致性。研究成果将进一步丰富超声红外锁相热像技术的理论基础。

为了研究单双面激光冲击对7050-T7451铝合金小孔件的影响, 采用ABAQUS有限元软件分析了单双面强化的残余应力分布, 并对比分析了残余应力曲线和单双面强化断口间的对应关系。结果表明, 双面强化的残余压应力比单面强化大120MPa, 且正反面应力分布更合理; 单面强化后疲劳源群位置距强化面达2.54mm, 偏离了尺寸中心, 而双面强化的疲劳源群大致位于尺寸中心; 经单双面激光冲击强化后, 试样的疲劳增益分别提高了53.3%和156.2%。该研究对单双面激光冲击强化的参量选择具有一定的指导意义。

对TC4-DT钛合金电子束焊接接头的显微组织、裂纹扩展速率以及断口形貌进行分析研究, 结果表明: 焊接接头组织为α′针状马氏体网篮组织, 热影响区为针状网篮马氏体和片层状α相和β相组成, 形成熔凝区向母材组织的过渡, 疲劳裂纹扩展速率与焊缝组织有密切关系, 与片层状的锻件组织相比, 阻碍裂纹扩展能力有所下降。