采用激光熔覆沉积（LCD）成形技术在锻造GH3536合金表面制备了GH3536合金，并对其显微组织与力学性能进行研究。结果表明，LCD成形GH3536合金的激光成形区与锻造基材之间形成了宽度为250~320 μm的等轴晶结合区。此外，在成形区还发现了宽度为2~2.5 mm具有枝晶结构的鱼鳞状熔池，以及少量孔洞缺陷。在成形过程中，在结合区和成形区析出了M₆C和M₂₃C₆碳化物。由于成形区GH3536合金具有比基材更高的室温拉伸强度，激光熔覆沉积成形GH3536表现出明显的各向异性，垂直于成形方向材料的抗拉强度与屈服强度比平行于成形方向分别高12.5%和9.1%，但其延伸率低7.7%。由于成形区GH3536合金晶粒尺寸较大，并且存在少量孔洞缺陷，其维氏硬度比基材降低了12.4%。

锡基巴氏合金具有较低的摩擦因数、良好的耐磨性及抗胶合性,已被广泛用作高性能轴承零部件表面的耐磨材料。为改善传统浇注锡基巴氏合金中存在的缺陷并减少材料浪费,采用激光熔覆技术在20钢基体表面熔覆锡基巴氏合金,并将其与采用静止浇注、离心浇注工艺制备的合金进行对比。对三种合金层的微观组织、元素分布、显微硬度、摩擦磨损性能及内部质量进行检测和分析,结果表明:激光熔覆锡基巴氏合金的微观组织小于传统浇注合金的微观组织,且沿沉积方向的微观组织呈明暗交替的带状分布特征;激光熔覆合金层的显微硬度高于静止浇注合金层的显微硬度,与离心浇注工艺的相近;在干摩擦条件下,激光熔覆锡基巴氏合金的摩擦因数较传统浇注合金的大,其磨损机制以磨粒磨损为主;超声波和着色渗透无损探伤结果表明激光熔覆锡基巴氏合金层内无明显缺陷,与钢背结合良好。

针对激光熔覆沉积TC4钛合金力学性能较低,不能达到锻件标准且力学性能各向异性较大的问题,通过机械搅拌预制不同硼含量的TC4粉体,使用预制粉体进行激光熔覆沉积实验,以达到调控微观组织、提高综合力学性能的目的。结果表明:当硼质量分数为0.050%时,沉积态TC4钛合金的力学性能均超过锻件标准,屈服强度和抗拉强度分别为1049 MPa和1136 MPa,延伸率和断面收缩率分别达到11.50%和33.5%,但塑性各向异性高达30%以上;经过950 ℃×1 h/空冷+500 ℃×4 h/空冷固溶时效热处理后,综合力学性能进一步提高,在保证强度的同时,延伸率和断面收缩率分别达到16.70%和37.3%,且各向异性小于5%。

采用激光熔覆沉积工艺,在传统TC4合金表面以单道多层的方式熔覆Ti40 (Ti-25V-15Cr-0.2Si)阻燃钛合金。重点研究了不同激光功率下熔覆层形貌特征、成分及显微硬度的演变规律,并建立了不同激光功率下的稀释率及熔覆层过渡区成分的理论预测方法。实验及分析结果表明:TC4基体区与Ti40激光熔覆区交界处存在成分及显微硬度过渡区域,特别是在过渡初期的300~350 μm范围内,4种激光功率下均出现成分及显微硬度的显著变化;当激光功率为1800 W时,Al、V、Cr元素含量及显微硬度过渡得最快;随着激光功率的增大,过渡区尺寸逐渐减小。基于过渡区成分分析及Mo当量计算发现,由热影响区向熔覆区域过渡时,显微组织直接发生α+β→β转变,导致熔覆界面处显微硬度显著降低。

为解决载气式、超声振动和惯性力等现有微输送方法在较宽输送速率范围内难以克服的角形金属粉体堵塞难题, 本文研究以超声驻波场声辐射力为驱动力, 通过悬浮分散微喷嘴内密集态粉末颗粒, 实现金属粉末的稳定微输送。以激光熔覆技术中常用且易堵塞的100目、200目和300目角形铬粉和200目角形钛合金粉为对象, 进行脉冲式和连续式两种模式的微输送精度和稳定性实验研究。实验显示, 300目角形铬粉单脉冲输送质量可控范围为0.4~16 mg且连续输送速率可控范围为6.0~65 mg/s; 脉冲微输送质量的变异系数随微喷嘴内径的增大而大幅降低(小于2%)、连续输送速率的变异系数均低于6%。实验结果表明, 声辐射力驱动微米级角形金属粉末具有较大的输送速率可控范围、输送精度、稳定性和多种角形金属粉末的普适性, 可从根本上解决角形粉末喷嘴微输送的堵塞问题。本文研究结果也可为其它尺度金属粉末和非金属粉末的微输送提供参考。

通过在TC4粉末中加入变质剂B,进行了激光熔覆沉积实验。在沉积过程中引入了感应加热,研究了不同工艺条件下TC4熔覆层显微组织的变化。结果表明,当变质剂B和感应加热同时作用时,TC4熔覆层的晶粒细小且分布均匀、无明显β柱状晶,微观组织呈典型的网篮组织。当感应加热温度为900 ℃,B的质量分数分别为0.1%,0.05%和0.025%时,TC4熔覆层的组织由大量片状α相和少量初生α相组成,晶粒的长度为11~18 μm,宽度为4.40~6.90 μm。

在TC4粉末中加入不同含量的Si粉末进行激光熔覆沉积试验,研究了感应加热对试样微观组织的影响。结果表明,在没有引入感应加热的沉积态试样中,Si能够有效地细化柱状晶,柱状晶宽度由285.5 μm减小至12.1 μm。引入感应加热后,试样中柱状晶的宽度未变,但沉积方向上的部分柱状晶被打断,没有形成贯穿生长;晶内组织为α集束,且α片层上析出无规则呈弥散分布的硅化物。

以混合的Ti、V、Cr元素粉末为原料, 采用CO2激光器激光熔覆沉积Ti-20V-15Cr阻燃钛合金, 并针对合金沉积层的显微组织、冶金质量以及显微硬度展开研究。结果表明, 采用CO2激光器制备的Ti-20V-15Cr阻燃钛合金, 沉积试样成分分布均匀、组织致密、未出现裂纹、熔合不良等缺陷; 沉积试样整体由单相β晶粒组成, 但原始β晶粒形态对激光熔覆沉积工艺下的熔池凝固条件变化极为敏感; 沉积试样底部、中部和顶部区域沿沉积层生长方向依次出现三种形态的晶粒生长: 柱状晶、类等轴晶和等轴晶。基于合金凝固柱状晶/等轴晶转变模型以及激光熔覆沉积过程试样底部、中部和顶部熔池凝固条件分析, 揭示了激光熔覆沉积Ti-20V-15Cr合金的凝固组织形成机理, 采用显微硬度计对沉积试样各区域显微硬度进行测试。测试结果表明, 沉积试样各区域硬度分布均匀, 未出现明显波动, 平均显微硬度约为372 HV。

针对激光熔覆或3D微打印等金属零件先进制造技术对稳定微量输送金属粉体的要求, 分析了微米尺度金属粉体脉冲输送机理。为提高金属粉体脉冲输送分辨率和输送稳定性, 设计了余弦修圆波形、正弦修圆波形和正弦余弦组合修圆波形作为压电致动器的驱动电压波形。对平均粒径为100 μm的均匀球形TC4钛合金粉体进行了脉冲微输送实验。实验结果表明: 余弦修圆波形使粉体做“前进”运动, 正弦修圆波形使粉体做“后退”运动; 分散态粉体单颗稳定输送达粉体总量的90%, 密集态粉体脉冲微输送过程中密实度可控, 粉体微输送过程稳定, 无结拱现象发生。本文的研究结果也可为其它微米尺度材料或其他形状粉体的脉冲微输送提供参考。