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。

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。

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。

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。

基于激光内送粉技术，借助6 轴机器人实现了光头空间变姿态/变方向分层激光堆积成形。重点研究了连续变换基体空间角度对熔道形貌的影响；分析了空间变姿态/变方向激光堆积的难点和关键技术；进行了空间连续变姿态/变方向实体成形试验，并对成形件的壁厚、组织、显微硬度进行了分析。结果表明，随基板倾斜角度增大，熔池最大偏移量为0.06 mm，重力对熔池的流动影响不明显；采用切向分层技术、熔道变角度生长自适应技术以及轴线偏移补偿技术有效地解决了“花瓶”状变径回转体激光成形堆积的难点。成形件与基体为冶金结合，熔道不同区域的组织和显微硬度各有不同，成形组织整体较为细密均匀，区域显微硬度变化较小；成形件大角度变化处，显微硬度有一定下降，成形件小角度变化处，显微硬度无明显改变。

开展了基于激光选区熔化技术对IN718镍基超合金直接激光熔化成形的研究。将零件分为心部与轮廓区, 通过改变激光线输入量进行选区熔化研究。首先, 建立熔池内烧结的数值模型, 改变激光线输入量, 获得了激光线输入量对零件致密度的影响规律并观察了成形体中的组织生长。然后, 增加轮廓部位扫描, 改变激光线输入量与扫描顺序, 获得其对零件表面质量的影响规律。最后, 通过优化热处理工艺提高零件高温拉伸强度和高温持久性能。试验结果表明, 在激光线输入量为300 J/m时, 成形体致密度最高, 为98.9%, 成形体沿层间方向组织为树枝晶加等轴晶, 在层内方向组织为等轴晶。采用心部+后轮廓扫描的方式, 轮廓激光线输入量为100 J/m时表面质量最优, 粗糙度为3.1 μm。对成形体采用1 065 ℃固溶+双时效的热处理可以获得最佳高温性能组合, 高温拉伸强度为1 356 MPa, 高温持久时间为34 h。结果显示, 通过激光选区熔化制作IN718镍基超合金可以满足航空结构件对致密度、表面质量和高温性能要求。

利用CO2激光器对汽车用高强钢板作了大量的热应力成形试验，并对材料进行了相关的微观组织分析。在深入研究试件弯曲角变化规律的基础上，对激光热应力成形的工艺参数进行了合理优化，即在激光功率为1.5 kW、扫描次数为6次、扫描速度为1.2 m/min以及激光光斑直径为3.5 mm、面能量在20~45 J/mm2范围之间变化时热应力成形效果最好，提出了避免工件表面出现烧蚀现象的条件。试验结果表明，在试验参数的有效范围内激光扫描次数、扫描速度和材料宽度对试件弯曲角的影响趋于正比关系；光斑直径在较大或较小时呈现类线性关系；激光功率的影响呈明显的非线性特点，但在较小的情况下与弯曲角接近线性关系；接近材料表面区域的微观晶粒细小，而距离越远碳化物析出越少。

研究了激光成形修复30CrMnSiNi2A超高强度钢的微观组织及力学性能。结果表明: 激光修复区(LRZ)与锻件基材实现良好冶金结合。修复区主要为板条马氏体和回火马氏体, 热影响区(HAZ)受激光淬火形成细小马氏体板条。硬度从修复区向基体区(SZ)整体呈下降趋势, 在热影响区内出现硬度峰值(58 HRC)。激光修复试样冲击韧性为33～34 J/cm2, 低于同批锻件基材, 失效方式为准解理断裂。激光修复区耐磨性与基体区相当, 磨损方式主要为磨粒磨损。

采用实验研究的方法,探究了高功率激光成形Ti-6Al-4V合金组织演化规律和力学性能。研究结果表明: 高功率激光成形Ti-6AL-4V合金的组织由贯穿多个熔覆层呈外延生长的柱状晶组成,层高熔覆约为0.8 mm,β柱状晶间有等轴晶过渡,且存在明显的层带现象。原始β晶粒内部由板条α相和板条间β相组成,晶间β相内分布有针状次生α相,晶粒间与晶粒内部并无明显的成分偏析。和低功率激光成形相比,高功率激光成形Ti-6Al-4V合金硬度和强度均较低,而后者强度高于锻件标准,表现出低强高塑特点。