钛基复合材料具有高弹性模量、高比强度、高耐磨性和优异的高温耐久性等特点，在航空航天领域有良好的应用前景。采用低能球磨制备了纳米TiC颗粒与TC4的复合粉体，然后使用选区激光熔化（SLM）制备了TiC/TC4钛基复合材料，分析了不同体能量密度（29~97 J/mm³）对复合材料成形质量、显微组织、显微硬度的影响，并总结了组织演变机理和TiC演变过程。结果表明，成形该复合材料的最佳体能量密度为50~70 J/mm³，在该范围内试样的最高相对密度可达99.7%，显微硬度为385~392 HV。横截面上，显微组织的晶粒呈特殊的双尺寸分布，即由初生β等轴晶和沿其外围生长的不规则共晶区组成；纵截面上，显微组织呈鱼鳞状形貌分布且熔池内存在大量流纹状组织。复合材料中存在未溶TiC（主要分布于初生β晶界附近）、共晶TiC（主要呈链状网络分布于共晶β晶界）以及沉淀析出TiC（主要呈颗粒状分布于晶粒内）。随着体能量密度的增加，链状共晶TiC向棒状转变，晶内TiC尺寸长大。共晶TiC与β-Ti没有取向关系，共晶TiC、沉淀析出TiC与α'-Ti均存在明显取向关系，即｛11-20｝α'-Ti∥｛110｝TiC。

针对4 mm厚的国产Invar合金进行激光焊接实验，对比分析了不同热输入下接头显微组织的差异性，并探究了晶粒尺寸对接头拉伸性能的影响。结果表明，焊缝区域主要由柱状晶组成，在不同热输入下晶粒的生长模式几乎相似，但柱状晶晶粒的尺寸随着热输入的增加而逐渐增大。低热输入（90 J/mm）条件下的平均晶粒面积为12599.7 μm²，比高热输入（200 J/mm）条件下的细化了29.8%。相比于高热输入，低热输入时焊缝底部的亚晶粒数量增多且尺寸减小，平均二次枝晶间距从6.11 μm左右下降到4.26 μm左右。拉伸结果表明，热输入增加引起的晶粒粗化导致接头的抗拉强度由473.4 MPa下降至432.9 MPa，同时断口处等轴韧窝的尺寸和深度明显减小。

将硅藻土制成硅藻土/分子筛复合材料, 其比表面积和吸附能力将显著提高。本文利用水洗-烧结-酸性水热系列组合处理工艺制备硅藻土/磷酸铝分子筛复合材料, 同时验证外加铝源形成磷酸铝分子筛的可行性, 探讨高品质硅藻土形成时的微观组织演变行为及孔隙结构变化规律。结果表明: 硅藻土的孔隙结构包括大孔、介孔和少量的微孔结构, 水洗处理仅有物理提纯作用; 500 ℃烧结可以疏通硅藻土壳体的孔洞, 但烧结温度过高会导致管状结构的坍塌; 酸性水热处理能够合成具有介孔结构的磷酸铝分子筛, 而且随着外加铝源的加入, 硅藻土/分子筛复合材料中磷酸铝分子筛含量增加, 当外加铝源为硅藻土中铝含量的1.5倍时, 其比表面积和吸附性能达到最大。

为了揭示激光冲击强化诱导的表面纳米晶形成机制，通过电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)对TC4钛合金表层微观组织进行了分析。结果表明，试件表面冲击区域的相分布无明显变化，但平均晶粒尺寸由3.78 μm下降至3.18 μm，且高水平应变的分布更均匀。激光冲击强化使小角度晶界向大角度晶界转变，织构强度减弱且极向呈多向化分布，晶粒取向分布更随机。截面微观组织依次为表层纳米晶、次表层位错胞、高密度位错和内部带有低密度位错的基体粗晶。分析认为，表面纳米晶是由一系列复杂的位错运动引起的，符合连续动态再结晶机制。试件表面晶体畸变能最大，且瞬态温升高达755 ℃，因此动态再结晶过程进行得最充分。

为了研究高温合金激光熔覆涂层组织演变及力学性能, 采用激光熔覆技术在2Cr25Ni20耐热奥氏体不锈钢表面制备镍基NiCrFeMo高温合金涂层。使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、能量色散光谱仪、显微硬度计等微观分析测试手段对该镍基高温合金涂层的微观组织形貌、物相种类、界面元素分布与偏析、各区域的硬度进行分析。结果表明,基材与熔覆层结合位置至熔覆层顶部, 依次由多种晶粒形态生成；Nb与Mo元素在熔池金属液体对流作用下向基材发生扩散, 其它元素基本无扩散；熔覆层存在物相有γ-Ni和Cr2Fe14C, 熔覆层结合位置包含物相Fe2Ni3,γ-（Fe,Ni）和Ni0.9Nb0.1；基材显微硬度平均值为252HV0.3左右, 熔覆层显微硬度平均值为285HV0.3左右；经常温拉伸试验, 与2Cr25Ni20钢力学性能比较, 2Cr25Ni20钢修复件抗拉强度升高, 强度增大, 断后伸长率明显下降, 塑性降低。此研究为后续钢炉转轴修复提供了可行性方案。

激光立体成形技术逐点逐层的成形方式, 特别适合构件化学成份及显微组织在空间呈现特定分布的梯度材料的成形。本文利用激光立体成形技术, 以不同质量分数配比TA15-xTi2AlNb(x=0%, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%)混合粉末为原材料, 制备了线性过渡型TA15-xTi2AlNb梯度材料, 研究了梯度材料随着Ti2AlNb含量的增加, 宏微观组织的演化规律及梯度区成份、显微硬度变化规律。研究发现Ti2AlNb的添加对梯度材料宏观晶粒形态影响显著: TA15钛合金部分为外延生长的粗大柱状晶; TA15-20%Ti2AlNb部分底部为外延生长的短柱状晶, 中部发生CET转变, 顶部为近等轴晶; 梯度材料其余部分均由等轴晶组织组成。显微组织方面, 在梯度区内, 随着Ti2AlNb含量的增加, 各成份段组织演化依次为: α+β网篮组织→α+β网篮+次生α′→短针状α+β→大块状α+β→细小α2+B2/β→O+α2+B2; 同时, 显微组织尺寸呈现出先增大后突然增大、又逐渐减小的趋势, 该规律与维氏硬度平均值变化规律相反。

采用激光熔注技术在Ti-6Al-4V表面制备了ZrO_2p热障涂层,利用X-射线衍射、电子背散射衍射及扫描电镜技术,研究了激光熔注过程中ZrO₂颗粒的组织演变规律。结果表明:通过原子固态扩散,团聚态ZrO₂颗粒内的微粒尺寸增大,并由球状变为多面体状;激光熔注后,ZrO₂颗粒中未发现单斜相(m-ZrO₂);35%的稳定四方相(t'-ZrO₂)转变为立方相(c-ZrO₂);内应力降低,导致90%的正交相(o-ZrO₂)转变为c-ZrO₂。单个微粒内同时存在块状和纳米颗粒状t'-ZrO₂和c-ZrO₂,残留的o-ZrO₂集中分布于微粒界面。ZrO₂的组织演变使得微粒间的结合强度降低,促使ZrO₂大颗粒离散成细小颗粒,提高了涂层的防热性能。

通过送粉式激光熔化3D打印装置在6063铝合金作基板上打印粒径尺寸50～100 μm的Al-12%Si合金粉末, 研究有/无横向稳恒磁场下3D打印Al-12%Si合金组织演变规律。研究结果表明, 激光熔化得到的沉积试样表现出明显层状堆积特征, 组织中包含亮白色的α-Al相与Al-Si共晶相以及部分颜色较暗的α-Al相共同叠加组成, 试样致密度达到94%。在磁场强度为0.5 T下, 试样的底部区域形成了珠界面以及边缘生成了众多的等轴状α-Al相, 磁场具有能够使柱状晶转变为等轴晶的作用且能够使α-Al相从柱状晶转变为等轴晶, 并形成高次枝晶臂。

采用激光选区熔化工艺制备TC4钛合金试样,并主要研究了TC4合金微观组织的演变规律。结果表明,马氏体α′相的形貌、分布与激光能量密度密切相关,随着激光能量密度的增加,基本遵循如下演变规律: 非常细小的Z状马氏体α′相—细小的针状马氏体α′相—粗大的板条α相。能量密度的不同导致试样制备过程中热循环的差异,进而影响马氏体相的形貌与分布,这直接导致了初生、二次、三次和四次马氏体相的体积分数差异。

采用激光增材制造技术制备了铝锂合金板材, 分析了铝锂合金在热处理过程中析出相的演变及力学性能的变化。结果表明, 沉积态铝锂合金主要由α(Al)基体和TB(Al7Cu4Li)相组成, 晶界处存在少量富铜相；退火后, TB相更加均匀密集地分布在晶粒内部, 富铜相基本溶解, 晶界处存在少量Al-Cu-Fe杂质相；固溶淬火后, TB相固溶到基体中, 晶内存在少量δ′(Al3Li)相；时效后, 主要弥散析出θ′(Al2Cu)和σ(Al5Cu6Mg2)相。热处理后铝锂合金的显微硬度、抗拉强度比沉积态的分别提高了47.6%和87.7%。