激光定向能量沉积（LDED）增材制造技术由于成形效率高、材料送进方式灵活、成形自由度高等特点，非常契合当前及未来航天装备结构大型化、整体化、轻量化、高精度的发展趋势，并已在运载火箭、载人飞船、火箭发动机等领域实现牵引性应用。总结当前铝合金及其复合材料、钛合金及其复合材料、镍基高温合金及其复合材料等3类航天装备结构主体材料的LDED研究现状，在此基础上，梳理出LDED工艺的发展方向及研究进展。重点介绍航天装备主承力结构、异质合金一体化结构、集成流道整体化结构等3类典型结构LDED制造难点、研制及应用进展。最后，对LDED增材制造技术材料、工艺及装备等的发展方向进行了展望。

高频窄脉冲电解加工技术能有效提高加工精度和表面质量，在镍基高温合金等难加工金属材料的精密制造方面有着广泛的应用。然而，对于微观组织极不均匀的激光定向能量沉积构件，其加工质量尚不清晰，尤其是采用无水电解液时。以激光定向能量沉积Inconel 718合金为研究对象，采用频率为30~100 kHz、占空比为30%~80%的高频窄脉冲电流以及饱和NaCl乙二醇电解液进行射流电解加工实验。结果表明：沉积态Inconel 718合金组织由γ基体相、Nb偏析区与枝晶间相（主要为γ/Laves共晶相）组成；在10.50 A/cm²的电流密度下，加工区表面粗糙度随脉冲频率的增加而增大，且脉冲频率为30 kHz时表面粗糙度最小（R_a=1.562 μm），加工精度最高；表面粗糙度随占空比的增加先减小后增大，占空比为50%时表面粗糙度最小，占空比为60%时加工精度最高；而在直流模式下，表面粗糙度随电流密度的增大而降低，且电流密度为10.50 A/cm²时，表面质量最优（R_a=0.526 μm），这是由于高电流密度更容易诱导表面“过饱和盐膜”的形成，从而有效抑制选择性溶解，降低表面粗糙度。但在加工精度方面，高频窄脉冲电流模式的加工定域性较好。最后，基于“盐膜”理论和双电层模型，揭示了高频窄脉冲电流模式下沉积态Inconel 718合金的微区阳极溶解机理，为提高激光增材制造镍基高温合金射流电解加工表面质量提供了理论支撑和实验依据。

激光定向能量沉积（LDED）是受损大型关键构件几何特征修复和性能强化的典型修复技术，但其目前仍面临残余应力、孔洞和裂纹等问题。激光冲击强化（LSP）为解决以上问题提供了新思路。笔者以H13钢粉作为待沉积粉末，采用LDED技术对受损的45钢基体进行修复；然后利用LSP后处理强化LDED修复层，以解决传统LDED修复材料的质量问题。结果表明：随着LDED激光功率增大，H13钢修复层的晶粒逐渐细化，渗碳体溶解，耐磨性提升；LSP后处理会使修复层近表层的晶粒明显细化，显著降低LDED修复试样的摩擦因数，进一步提升其耐磨性。最后，笔者系统揭示了LDED+LSP激光复合再制造工艺诱导的微观组织演化（晶粒细化和渗碳体溶解）及其增强修复层耐磨性的机制。

准确获取飞秒激光成丝横截面图像及其沉积能量空间分布信息，对于成丝动力机制研究和促进诸多基于光丝的实际大气应用发展具有重要意义。本文基于热传导方程和波动方程构成的光声信号前向仿真模型，理论模拟了利用环阵式光声层析系统接收飞秒激光在空气介质中成丝诱导产生超声脉冲信号的过程；然后，利用延迟叠加算法对飞秒激光大气传输成丝沉积能量横向分布图像进行了反向重建，并分析了测量系统中关键器件超声换能器的中心频率、带宽、表面尺寸和探测表面灵敏度等性能参数对光丝沉积能量分布图像重建结果的影响。结果表明，单丝诱导产生的声压脉冲信号频谱为单峰结构，而多丝声压脉冲信号频谱为多峰结构；相比于单丝图像重建，多丝图像重建受“孔径效应”影响更显著；换能器的性能参数对光丝图像的重建效果有显著的影响，换能器的带宽越大、表面直径越小，以及表面灵敏度系数越大，越有利于光丝沉积能量分布图像重建效果的提升。该研究结果可为真实大气条件下飞秒激光传输成丝沉积能量空间分布的实验测量提供一定的理论支撑。

针对目前激光选区熔化难以直接成形大尺寸、高强度铝合金构件的问题，对定向能量沉积（DED）连接激光选区熔化成形Al-Mg-Sc-Zr合金的工艺进行研究，分析缺陷分布的位置、形貌以及对力学性能的影响，对比分析定向能量沉积参数以及超声外场辅助下连接试样的微观组织、元素分布和力学性能，并通过热等静压进一步提升力学性能。结果表明：缺陷主要分布在基材与连接区交界的熔合区，密集气孔聚集导致熔合区硬度远低于连接区和基材的硬度，并使整体拉伸性能弱化。在75~150 J/mm²激光能量密度范围内，随能量密度增大，致密度和抗拉强度均提升。采用3000 W激光功率、5 mm/s扫描速率、3.7 g/min送粉速率，得到最高的熔合区硬度、连接区致密度以及抗拉强度，分别为90 HV、90.83%、203.38 MPa。超声外场辅助会促进Al₃（Sc，Zr）强化相的析出并细化晶粒，且能够有效减少气孔的数量和缩小气孔的尺寸。超声后试样的综合力学性能得到显著提升，熔合区硬度为95 HV，致密度为93.06%，抗拉强度为292 MPa，较未加超声时分别提高了5%、2.4%和44%。超声后采用热等静压的后处理方法，可使综合力学性能得到进一步提升，熔合区硬度为160 HV，致密度为99.99%，抗拉强度为405.71 MPa，较未热等静压时分别提高了68.4%、7.4%和38.9%。

研究了不同热处理工艺对定向能量沉积TC17钛合金微观组织与摩擦学性能的影响，分析了热处理过程中的组织演变规律与20 N干滑动磨损下的综合磨损行为。结果表明，在退火与退火后固溶处理阶段，合金主要由初生α相及连续或不连续的晶界α相、β相组成，无相析出区伴随连续晶界α相存在。在退火后固溶处理的基础上进一步进行时效处理，针状次生α相开始析出，且随着时效温度的升高，初生与次生α相开始生长、粗化，无相析出区先消失后出现。硬度与磨损测试结果表明，经580 ℃时效处理后显微硬度最高（486.93 HV），此时有较强的弥散强化效果，摩擦学性能最优，磨损率仅为0.0451 mg/m。热处理后多种磨损机制混合存在，磨损率、磨损形貌取决于微观结构与氧化层的变化。研究结果为优化TC17合金摩擦学性能与热处理工艺提供了参考。

为明晰残余应力对定向能量沉积（DED）成形316L奥氏体不锈钢疲劳裂纹扩展行为的影响机制，笔者通过与传统316L不锈钢热轧板材疲劳裂纹扩展速率的对比，研究了热处理工艺对DED 316L奥氏体不锈钢件疲劳裂纹扩展速率的影响，并采用有限元方法探究了残余应力对应力强度因子和有效应力比的定量化影响规律。结果表明：有限元法得到的疲劳寿命与试验结果吻合得较好，疲劳寿命预测误差约为4.71%。基于Walker公式的残余应力强度因子K_res通过增加有效应力比影响DED不锈钢件的疲劳裂纹扩展速率。当循环载荷应力比为R=0.1时，DED不锈钢件的有效应力比R_eff为0.122，而经去应力热处理的DED不锈钢件的有效应力比R_eff降为0.117，从而降低了DED不锈钢件的疲劳裂纹扩展速率。

针对曲面激光增材制造钛/铝异质材料温度场和熔池形貌的调控难题，采用有限元模拟方法，对激光定向能量沉积（LDED）钛/铝异质材料起始及稳态沉积过程进行数值模拟，通过控制变量研究了激光功率、扫描速度对熔池形貌、宽深比及温度场的影响规律，并进行了实验验证。研究结果表明：LDED成形钛/铝异质材料的熔池热行为、形貌等随激光参数发生显著变化，当扫描速度为0.32 rad/s时，随着激光功率从1400 W增至2300 W，熔池最高温度从1525.5 ℃升至3289.8 ℃，熔池的体积从1.16 mm³增至7.73 mm³，熔池宽深比与激光体能量密度呈负相关。当激光功率为2000 W，扫描速度为0.32 rad/s时，Al-Ti异质材料层的熔池宽深比最大，为1.84，起始堆积Ti层的宽深比次之，为1.42，稳定堆积Ti层的宽深比最小，为1.22。实验得到的熔池宽度为0.61 mm，熔池形貌与有限元模拟熔池形貌吻合良好。