采用激光修复技术和GH4169合金粉末，在GH738合金基材试块上制备激光成形修复件，对其进行固溶+双时效热处理。对试块进行了高温持久和高温低周疲劳性能试验，观察试样断口形貌并分析断裂机理。结果表明：激光修复GH4169/GH738合金的组织结合处冶金质量良好，呈现向外连续生长的柱状晶组织；在650 ℃、690 MPa下进行持久试验，修复试样晶界析出Laves相，导致裂纹的萌生，与晶界分离形成微观空洞，同时气孔促进了裂纹的扩展，为穿晶和沿晶的混合韧性断裂模式。在455 ℃下进行低周疲劳试验，发现疲劳裂纹源于表面和气孔，以河流状花样向中心扩散，拓展区存在疲劳辉纹，为解理和穿晶两种断裂模式。采用GH4169合金粉末修复可满足常规铸锻GH738合金性能要求。

针对TA15钛合金材料, 建立激光弯曲成形的三维热力耦合有限元仿真模型, 得到不同加工参数下的材料温度场及变形场。通过搭建弯曲试验和测试系统, 获得了部分加工参数下钛合金板的温度场和变形数据, 并与仿真数据进行对比, 验证了数值模型的有效性。基于板材厚度方向温度和塑性应变的分布, 明确了在激光弯曲成形中的主导机制。研究了激光弯曲成形中的翘曲变形现象, 提出可用于抑制翘曲变形的来回扫描加工方法。

激光选区熔化成形技术作为一种近净成形的增材制造技术，可实现复杂结构零部件高精度成形。为此，结合激光选区熔化实际应用中发现的问题，总结了激光选区熔化成形工艺的零部件设计准则，包括变形、粉料去除、支撑去除、扫描策略、设备加工能力、加工余量等，同时，结合实际应用情况，进一步分析了应力收缩线形成机理及常规应力分布规律。该研究为设计人员进行零部件设计、模型优化提供了依据。

研究简化热处理制度对点式锻压激光沉积（PF-LF）GH4169合金显微组织和力学性能的影响。将时效时间由原来的18 h减少为3 h，不仅大大节省了试验时间，而且在提升材料性能方面也起到了重要作用。结果表明，在1 010 ℃固溶时效后，合金中的Laves相出现大部分熔解，合金发生再结晶现象，再结晶晶粒细小且分布均匀，平均晶粒尺寸为6.8 μm左右，实现了超细晶组织，合金的强度和塑性也远超锻件标准。1 050 ℃固溶时效时，再结晶完成，晶粒尺寸略有长大，约为15 μm，Laves相基本完全固溶消失，与1 010 ℃热处理相比，合金的强度有所下降而塑性有所改善，均超过锻件标准。在1 010 ℃和1 050 ℃进行双固溶时效时发现，合金中出现了大量的退火孪晶组织，退火孪晶的产生对合金的强度和塑性均产生了影响，虽然合金的性能均超过锻件标准，但略低于单固溶时效状态下的合金性能。

针对航空发动机TA19钛合金整体叶盘的损伤修复需求, 开展激光成形修复工艺研究。采用旋转电极法制备TA19钛合金球形粉, 在充氩箱中进行激光成形修复试验, 沿TA19锻件基材生长制备板状试样坯料, 同时采用激光直接沉积方法制备了试样坯料, 通过对修复区域显微组织、显微硬度、拉伸性能、疲劳性能测试与分析, 并与TA19钛合金锻件及激光直接沉积试样进行了对比。结果表明: 激光成形修复试样由修复区、热影响区和基材区三部分组成, 修复区与基体形成致密冶金结合, 修复区组织为粗大柱状晶, 柱状晶内有细小的针状α相析出, 形成α+β魏氏组织; 激光成形修复区的硬度平均值为400 HV, 比母材的硬度高70 HV; 激光成形修复试样的抗拉强度均值为999 MPa、屈服强度均值为910 MPa, 与母材基本相当, 激光成形修复试样的延伸率均值为12.5%, 与母材相比下降17%; 在应力集中系数Kt=3时, 室温及480 ℃的激光成形修复的中值旋转弯曲疲劳强度分别为137 MPa及145 MPa, 与母材相当或略优。激光成形修复后TA19钛合金的拉伸及疲劳性能与锻件基本相当, 激光成形技术是TA19钛合金整体叶盘损伤修复的可行方法。

随着先进民机对低成本、高经济性的追求,整体性和复杂性的民机结构件越来越多,其制造难度也逐步在挑战传统航空制造工艺。激光增材制造技术是通过激光能量将金属粉末熔化沉积来形成零件结构的一种先进数字化制造工艺,其解决了民机复杂结构的制造,促进了复杂轻量化结构的设计。通过分析激光增材制造技术在民机复杂结构上的应用及验证研究,对降低民机生产成本,提高复杂零件加工效率,增强民机制造能力具有重要意义。

利用激光成型技术制备了Fe基合金样品,研究了激光扫描速度对成型的Fe基合金组织与晶化行为的影响。结果表明,在一定激光功率下,随着扫描速度的增大,熔化区和热影响区内均发生了大面积的晶化,熔化区内的析出相的形貌和尺寸未发生明显的变化,而热影响区内的析出相的尺寸不断减小。采用Marc有限元软件模拟了激光快速成型过程,得到了各扫描速度下合金的熔化区和热影响区内的热循环曲线,分析了Fe基合金未能获得非晶相的原因。

飞机大型化是航空未来的趋势, 复合材料的大量使用促进了钛合金材料的使用, 大型钛合金结构的成型及制造困难一直困扰着航空制造业, 钛合金激光成形技术是以金属粉末为原料, 通过激光熔化沉积来形成零件结构的一种新型制造工艺, 其促进了飞机大型复杂结构的设计及制造。通过分析激光成形技术在大型钛合金结构制造上的应用, 表明了激光成形技术对未来大型钛合金结构制造的优势, 对钛合金应用及制造具有重要意义。

扭曲面作为一种典型三维曲面件, 有着广泛的应用, 但由于形状复杂, 成形困难。激光热成形利用热累积成形, 加工中不直接接触板件, 具有很好的加工柔性, 是三维曲面件成形的重要工艺途径。阐述了扭曲面激光热成形工艺内容, 通过曲面展开算法, 获取展开曲面形状; 利用特征应变, 形成激光加热路径在展开曲面上的分布; 结合工艺数据库, 完成各激光加热路径上的加工参数确定。基于激光加工实验平台, 对扭曲面进行了实验加工, 结合形貌测量, 扭曲面的形状均方误差为421.2 μm, 验证了提出的曲面展开、加工路径和工艺参数规划方法的有效性, 为复杂曲面成形提供了技术方法。

对金属零件激光成形过程闭环控制系统中, 熔覆宽度的检测技术进行了研究, 提出了一种基于卡尔曼滤波技术的熔覆宽度检测方法。利用视觉传感系统获取激光加工过程中的熔池图像, 经过图像处理与图像标定求熔覆宽度作为参量建立系统状态方程和测量方程, 应用卡尔曼滤波算法对图像上的熔宽和熔宽变化进行状态估计, 得到最小均方差条件下的熔覆宽度最佳预测值, 从而减小过程噪声和测量噪声引起的熔覆宽度测量偏差, 测量平均误差由0.028 mm降为0.009 3 mm,实现加工过程熔覆宽度的精确检测。实验结果证明: 将卡尔曼滤波技术应用到熔覆宽度检测过程中可以大大提高熔宽检测精度。