为减小激光沉积成形层温度梯度及制件残余应力,结合激光沉积成形金属薄壁件结构的特点,进行了分区环形扫描验证性实验,实验结果表明:采用分区环形扫描路径,可有效减小成形件的残余应力。提出了一种分区环形扫描路径生成算法。为避免扫描线过长引起的翘曲变形,结合激光沉积成形扫描线极限长度,提出了一种基于扫描线极限长度阈值内极值点搜索的分区算法,对独立轮廓组进行分区;针对薄壁件壁厚多变的结构特点,依据壁厚判断的扫描方式优选准则,采用中线扫描与环形扫描相结合的算法,生成分区自适应环形扫描路径;同时为避免扫描环间过渡区的过熔覆,采用端点偏置算法实现扫描环间的平滑过渡连接;最后为减小层面温度梯度和制件残余应力,提出一种基于四色定理的分区扫描顺序优化算法。

针对BT20钛合金锻件当量孔损伤进行激光沉积修复试验, 考察了修复试样的组织和力学特点。修复区与基材之间形成了致密冶金结合, Al, Zr, Mo, V合金元素由锻件基体到激光修复区均匀分布, 无宏观偏析, 硬度分布从基材到修复区依次提高。热影响区组织是由基材的双态组织过渡到网篮组织; 修复区组织为粗大的原始柱状β晶, 晶粒内为α/β网篮组织, 晶内α片层取向随机, 宽0.4~0.5 μm。修复过程中发现, 激光加工工艺参数选择不当、坡度过大等原因会造成修复区组织形成气孔和熔合不良等缺陷, 但是通过优化工艺参数可以获得无缺陷修复试样。修复试样的室温静拉伸结果表明, 试样的抗拉强度接近锻件基体强度, 但修复件的韧性比锻件稍有提高。

为了研究磁场搅拌对激光沉积钛合金组织和性能的影响，将自行设计的旋转磁场引入到激光成形系统中，并进行了钛合金沉积成形实验。考察了不同磁场参数下试样的宏观形貌和微观组织，测量了激光沉积层的显微硬度。结果显示：磁场引起激光熔池的强烈对流，使单道沉积层的表面呈现下凹状；且在一定范围内，磁场搅拌速率越快，沉积层α片层组织越细密，硬度越大，可达440 HV0.1。表明旋转磁场加剧了熔池的对流，从而加快了其冷却速度，细化了沉积层内的片层组织，并提高沉积层的力学性能。

为了改进Ti6Al4V钛合金的高温耐磨性能, 采用激光沉积制备技术, 通过改变同步送粉双料仓速率方式, 在Ti6Al4V钛合金表面制备了以WC颗粒为强化相的钛基梯度复合涂层。对耐磨涂层的微观组织进行了观察, 测量了涂层和Ti6Al4V基材的显微硬度和在500 ℃条件下的摩擦磨损性能, 并对涂层的强化机制和磨损机理进行了分析。结果表明: WC颗粒增强相均匀弥散分布在基体中, 并因吸收激光能量的不同而呈现不同的形态。由于WC颗粒和生成的TiC弥散强化及激光沉积基体组织的细晶强化作用, 基材的硬度和耐磨性均得到了提高。在相同的摩擦磨损条件下, 复合涂层较钛合金基材的耐磨性提高了约5 倍。

为了增强Ti6Al4V钛合金的耐磨性，采用激光沉积制造方法在其表面上制备了以原位生成的TiC颗粒和直接添加的WC颗粒为增强相的耐磨涂层，观察了各涂层的微观组织，并测量了涂层的显微硬度和涂层在室温大气条件下的摩擦磨损性能。结果表明各涂层和基体呈现冶金结合，原位自生的TiC和部分熔化的WC颗粒均能够均匀弥散分布于基体上，由于增强相颗粒的弥散强化及激光沉积组织的细晶强化作用，基材的硬度和耐磨性均得到了提高。原位自生的TiC涂层比WC涂层硬度梯度分布平缓，但耐磨性稍差。

在激光沉积成形中, 为了保证试件的成形质量, 其关键因素是找出相互匹配的工艺参数。利用多组对比试验, 通过分别改变激光功率、扫描速度、送粉速率和扫描间距来探究工艺参数对沉积表面成形质量的影响规律, 并根据规律总结出工艺参数与粉末熔化率的关系公式, 推算出了一系列相互匹配的工艺参数。

采用红外测温仪实时跟踪测量方法实现了钛合金激光沉积成形熔池温度的测量, 研究了不同激光功率、扫描速度和送粉速度以及不同扫描路径对熔池区域温度和成形宽度、高度的影响规律。结果表明, 随着激光功率和送粉速度的增大, 熔池温度升高, 成形高度、宽度变大; 随着扫描速度的增加, 熔池温度下降, 成形高度、宽度变小; 扫描路径不同会产生不同的温度梯度, 温度梯度的不同会直接影响成形件高度; 并从能量输入角度分析了熔池区域温度和成形宽度、高度的变化原因。为通过实时红外检测熔池温度调控工艺参数和优选扫描路径来提高成形质量提供了指导依据。

为了提高Ti6Al4V钛合金的耐磨性能, 研究了在其表面采用激光沉积制造原位自生TiC为强化相的钛基功能梯度材料(Ti-FGM)的设计。首先对FGM组分的弹性模量、泊松比、热膨胀系数、密度以及热导率等物性参数进行估算。然后利用有限元分析的方法, 对梯度材料进行了热应力优化设计, 确定了FGM 的最佳形状分布因子P＝0.5、层数为6和单层厚度为1 mm。并根据最优参数计算出各层的组分, 为下一步进行激光沉积制备工艺提供了依据。

借鉴超声振动在铸造、焊接、熔覆等领域中的作用，将超声振动引入钛合金激光沉积成形系统中，利用超声作用细化晶粒，均匀组织成分,减小试件的残余应力，从而解决成形件变形开裂的难题。针对成形系统的结构特点，搭建了超声振动系统，进行了超声振动辅助钛合金沉积成形试验。通过观察沉积试件的微观组织和对试件残余应力的测试，发现超声振动使试件熔覆层中的晶粒得到细化，使功能梯度材料试件中的TiC硬质相弥散均匀；并且能够减小试件的残余应力。测试结果表明超声空化或机械效应可以打碎由初生枝晶交错连接形成的固态结晶网，从而细化了晶粒，同时使继续结晶时熔体得到补充，减小了枝晶间产生的拉应力；另外超声波在熔池中的搅拌声流将使硬质相运动到熔池各处，使之分布更为均匀，在一定程度上减少了相与相之间凝固收缩应力的不同而产生的凝固应力。