为了在成型过程中, 方便地在零件上按需获得梯度材料成分, 采用了集成同步送粉碰撞混合、锥形聚集混合、气流混合等多重混粉动作的实时混粉方法, 研制成梯度材料激光选区熔化增材制造系统, 并展开了梯度材料成型实验验证, 结合试样照片、显微图像及能谱仪检测, 分析了成型效果。结果表明, 系统可自由按需在水平及垂直方向添加成分渐变材料, 可方便获得具有复杂外形结构的梯度材料零件; 成型件梯度材料区域微区成分分析显示, 各微区内元素平均质量分数离散程度小, 成型过程中每层平均混粉时间10s～15s时, 各微区主要元素变异系数不超0.59, 达到了较好的混合均匀性。该研究为自由制造梯度材料零件提供了新途径。

采用激光沉积工艺制备了材料成分呈梯度变化的316L-IN625梯度材料，通过扫描电镜观察、X射线衍射、拉伸测试等分析技术研究了梯度材料不同区域的显微组织形态，以及连接试样、梯度试样的力学性能。结果表明：梯度材料不同区域的显微组织随着316L成分的减少依次呈现为胞状枝晶、柱状晶、粗糙枝晶与近等轴晶；与连接试样相比，316L-IN625梯度试样的屈服强度(σ_0.2)升高至289 MPa，但由于高的热应力与脆性析出相的存在，其抗拉强度与延展性均有所降低；脆性析出相随着拉伸应力的增大发生不均匀的塑性变形，导致梯度试样发生脆性解离。IN625合金的固溶强化与析出强化，使得316L-IN625梯度材料的显微硬度沿沉积建造方向逐渐升高。

激光增材制造(LAM)技术具有可设计性、短流程、高柔性制造等优点,特别适合高性能梯度材料的直接近净成形。然而成形过程中温度梯度作用和材料组分非均匀性,导致成形构件不可避免地存在残余应力,直接影响到构件的成形精度和使用性能。以在航空航天领域具有广阔应用前景的钛合金梯度材料为研究对象,基于ABAQUS有限元软件建立增材制造TC4/TC11功能梯度材料(FGM)温度和残余应力场的热力耦合力学模型。实验结果表明:激光增材制造过程中,沉积区域的残余应力主要表现为拉应力,且沿扫描方向的残余应力较大。不同材料组分交界面处的残余应力分布具有不连续性,靠近TC11含量高的一侧应力要高于另外一侧,残余拉应力随着TC11含量的增加逐渐增大。该研究对于梯度材料增材制造的结构设计和残余应力的调控具有重要意义。

基于激光熔覆同轴送粉成形技术，利用316L不锈钢粉末和镍基718高温合金粉末制备二维突变梯度材料。通过电子探针检测技术在宏观层面分析整个试样的元素变化规律，通过扫描电镜及其附带的能量色散谱仪在微观层面分析界面处的微观组织及元素变化规律。结果表明：在宏观分析时元素含量突然变化，在微观分析时发现存在长约500 μm的过渡区间；界面处显微硬度变化显著，微观组织逐渐变化，但镍基718高温合金侧元素偏析明显，以Laves相和碳氮化物为主，316L不锈钢侧以胞状晶为主，且含有少量碳氮化物。

采用激光直接沉积技术制备TA2/TA15梯度材料,研究了该梯度材料的显微组织演变及弯曲性能,并通过有限元模拟重点探讨了弯曲过程中梯度过渡区不同成分合金的应力-应变行为。结果表明:由底部TA15合金向上过渡至TA2合金时,微观组织由网篮α+β相逐渐向单相α相过渡,合金元素种类和β相体积分数逐渐减少,α相体积分数逐渐增加。随着Al元素含量增加,显微硬度增大,抗弯强度由964 MPa增大至2156 MPa。有限元应力场模拟结果表明,试样在弯曲变形过程中,顶部受到压应力作用,底部受到拉应力作用。与TA15试样相比,Al元素含量减少会降低梯度材料的抗弯强度,但会大幅提升其塑性能力,并实现应力均匀过渡。在所有的试样中,GZ-3试样的综合性能最优。

为解决复杂结构金属梯度材料零件制造技术的难题, 对成分梯度材料零件的激光选区熔化成型方法展开了研究。通过零件梯度设计法结合多组扫描路径数据文件及一个txt格式文件, 实现了成分梯度材料零件增材制造数据的获取; 通过双轴摆动的粉末实时混合均布装置实现了梯度成分粉末的实时混合及均布; 采用柔性清扫回收原理解决激光选区熔化制造梯度材料零件时同层内不同粉末的清理回收问题。利用自主研发的梯度材料零件激光选区熔化成型系统展开了实验验证。获得了4340+CuSn10梯度材料零件, 颜色上呈明显的梯度过渡, 对其前侧面及上表面进行EDS分析, 发现中间3个梯度区域Fe的平均质量百分比在垂直方向分别为4.94%, 36.49%, 59.16%, 在水平方向分别为1288%, 41%, 53.59%, 在不同层之间、同一层不同区域之间均呈梯度变化。该方法可实现成分梯度材料零件自由增材制造, 为该类零件的制造提供了新的选择。

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。

采用复变函数法和镜像法，研究了功能梯度板条结构中含圆柱亚表面夹杂的热波散射问题.基于双曲型热传导方程，求解了含圆柱亚表面夹杂板条中热波散射与温度场，并给出了温度场的一般解.温度波由调制光束在材料表面激发，板条上下表面的热边界条件为表面温度等于环境温度.分析了夹杂的几何参数和热物性参数对板条左表面温度的影响，如板条的宽度和非均匀参数对板条表面温度的影响.可望为功能梯度材料的红外热波无损检测提供计算方法和参考数据.

利用ANSYS 有限元软件对激光沉积过程中SiCp/Cu 梯度涂层的残余应力进行数值模拟。建立该梯度涂层的有限元分析模型，探讨梯度分布因子和涂层单层层厚对SiCp/Cu 梯度涂层残余应力的影响。结果表明: 较大的残余应力主要分布在梯度涂层与基体的界面边缘位置；当梯度涂层层数为4，梯度分布因子为1，单层厚度为0.6 mm 时，SiCp/Cu 梯度涂层有较好的残余应力缓和效果。根据优化结果采用激光沉积法制备的SiCp/Cu 不同梯度层之间界面较为清晰，结合良好；与均质涂层相比，其硬度和耐磨性分别提高了23.2%和5.2%。

激光金属直接成形制备了CoCrMo体积分数分别为10%、20%、30%变化的Ti6Al4V-CoCrMo梯度材料实体件，CoCrMo体积分数为10%的组分未开裂，而20%、30%的组分开裂严重。从断口形貌、组织和残余应力三方面对开裂现象进行了深入研究。结果表明：CoCrMo体积分数为20%、30%组分的开裂是冷裂，断口呈现准解理特征，裂纹穿晶扩展。开裂的原因主要是Ti6Al4V与CoCrMo形成了有限固溶体，脆性倾向增加；随着CoCrMo含量的增加，梯度材料的组织结构发生了显著变化，析出的CoCrMo呈网状包络Ti6Al4V-CoCrMo固溶体，不仅容易出现应力集中，形成裂纹源，而且两者间热物性参数不匹配，增大了内应力。