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。

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。

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。

以含有Fe元素和不含Fe元素的两种钛合金粉末为原料, 采用激光沉积制造技术制备高强钛合金样块, 并对其进行固溶+时效处理, 通过光学显微镜、扫描电子显微镜、显微硬度仪、X射线衍射及室温拉伸等手段, 研究了Fe元素的加入对高强钛合金组织和拉伸性能的影响。结果表明: 含有Fe元素的钛合金试件的抗拉强度和屈服强度都优于不含Fe的钛合金, 但塑性比较差。其中主要的原因是Fe元素的固溶强化作用, 促进了β相的生成, 保留更多β相到室温, 获得更加细小的β转变组织, 起到了细晶强化作用, 使抗拉强度和屈服强度均得到了增强。两种钛合金的断裂方式均为半韧性半解理断裂, 两种钛合金的断口表面较平整, 有延性区域和解理面的特征, 有Fe元素的钛合金因二次裂纹的存在使钛合金的塑性降低, 无Fe元素的钛合金因高密度的韧窝分布使钛合金的塑性得到了提高。

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。

将基材预热至100 ℃和400 ℃,采用激光沉积制造技术制备了直接过渡TA15/GH4169复合结构,研究了预热温度对TA15/GH4169微观组织、残余应力及显微硬度的影响。结果表明:基材预热对复合结构成形质量的影响较大;基材未预热时,复合结构在界面处断裂;预热基材至400 ℃后,成形质量得到了改善,在界面处形成了厚度约为0.33 mm的过渡区;随预热温度升高,GH4169侧的残余应力明显降低;预热基材至100 ℃时,残余应力值较未预热时降低了21.59%,预热至400 ℃时,残余应力降低了33.19%;复合结构的显微硬度随预热温度升高呈轻微下降的趋势,在同一预热温度下,过渡区的显微硬度最高;预热基材至400 ℃时,过渡区硬度较TA15侧提高了91.2%。

研究了激光沉积制造GH4169合金不同方向的显微组织和拉伸性能。结果表明, 激光沉积制造GH4169合金试样的显微组织存在各向异性, 沉积方向为相对粗大的柱状晶, Laves相分布在枝晶间、沿枝晶生长方向呈连续态, 体积分数为5.1%; 垂直于沉积方向的截面组织呈等轴状, Laves相弥散分布在晶间, 体积分数为4.8%。垂直沉积方向上的室温拉伸性能明显优于沉积方向, 不同方向均为韧性断裂。沿沉积高度方向硬度逐渐增大, 在同一沉积高度内, 试样显微硬度未出现明显差异。

提出了一种基于离散小波变换的算法，对超声检测激光沉积TA15合金图像中微小、低对比度的缺陷进行了增强。利用Penalized软阈值对缺陷的高频细节信息进行去噪，并通过Gamma变换提高缺陷低频信息的对比度。综合考虑信息熵和对比度，对多组样本进行了测试实验。研究结果表明，针对具有独特快速熔凝组织的激光沉积制件，所提算法比高斯滤波及模糊集增强理论具有更好的弱小缺陷增强能力。

采用激光沉积制造技术制备TA15钛合金裂纹扩展速率(da/dN)以及平面应变断裂韧度(KIC)试样, 采用金相显微镜(OM)以及扫描电子显微镜(SEM)观察微观组织与断口形貌。结果表明: 沿沉积高度方向, 组织呈现典型的β晶粒外延生长, β晶粒内部为α/β片层及集束组成的网篮组织; 三种扩展方向下, YOZ面裂纹扩展速率最快, XOY面裂纹具有较低的扩展速率; 平面应变KIC受裂纹预制扩展方向和β晶粒位向影响, 表现为各向异性。裂纹扩展平面垂直β柱状晶时, KIC最大达86.36 MPa·m1/2, 当β柱状晶位于裂纹扩展平面内, 且平行于裂纹扩展方向时, KIC值为77.19 MPa·m1/2, β柱状晶垂直于裂纹扩展方向时, 其对裂纹阻滞作用弱, KIC最小为56.16 MPa·m1/2。

以TA15球形粉末为原料，利用激光沉积制造方法制备了TA15钛合金厚壁件，研究了单重退火和双重退火对TA15钛合金显微组织和室温拉伸性能及各向异性的影响。结果表明，两种退火方式下α相的组织形貌存在明显差异，室温拉伸性能受到β柱状晶晶界影响，呈现出高强度低塑性的特征，沉积方向上的组织变形较大；双重退火对强度及塑性的各向异性具有改善作用；随退火温度的升高，单重退火下的显微硬度变化不明显，而双重退火下的显微硬度略微增大。