为优化制造工艺和提高生产效率，针对航天固体火箭发动机壳体用30Cr3超高强度钢进行激光焊接特性研究。在焊接过程中通过对匙孔和熔池的高速摄影进行实时观察，发现在所选激光功率范围内存在三种不同的焊接熔透模式，包括匙孔未穿透型熔透模式、匙孔临界穿透型熔透模式和匙孔稳定穿透型熔透模式。采用激光测振仪对熔池表面的波动幅度进行了定量测量，并讨论了不同熔透模式下焊接过程的动态稳定性。基于熔透模式的划分，分析了匙孔动态行为与焊接接头组织和力学性能之间的关系。结果表明，在匙孔临界穿透型熔透模式下焊缝组织晶粒大小不均且接头塑、韧性较差。比较三种焊接熔透模式，发现匙孔稳定穿透型熔透模式有助于获得致密、均匀且杂质少的焊缝组织，焊接接头具备最高的断后伸长率（22.8%）和最大的冲击吸收功（14.36 J）。

采用分离式霍普金森压杆对激光增材制造AerMet100超高强度钢沉积态和热处理态试样进行高应变率(1000~4200 s -1)动态压缩测试,并对微观组织和冲击断口进行了分析。结果表明:激光增材制造AerMet100钢具有明显的应变率敏感性,应变率强化效应显著;热处理可显著提高激光增材制造AerMet100钢的动态冲击性能,经885 ℃固溶(1 h)+(-73 ℃)深冷(1 h)+482 ℃回火(5 h)处理后,激光增材制造AerMet100钢试样表现出最佳的强韧性配比,动态冲击性能优异;当回火温度提高到494 ℃时,试样的动态压缩强度降低。

为了研究300M低合金超高强度钢激光焊接接头的组织和力学性能,采用光纤激光器对300M钢进行自熔焊对接试验,结合拉伸测试等分析方法研究了焊接接头的焊缝形貌、组织变化特征和力学性能,讨论了焊缝金属快速凝固过程中的相变。结果表明:300M低合金超高强度钢激光焊接接头的焊缝横截面呈典型的“Y”形;焊缝金属主要由柱状树枝晶组成;焊缝组织主要由马氏体以及残余奥氏体组成。靠近焊缝的热影响区分为硬化区和软化区,硬化区的硬度约为734 HV,软化区的硬度约为456 HV,接头的断裂位置为软化区,接头的抗拉强度为1269 MPa,约为母材强度的65%。

采用激光送丝堆焊技术对预置缺陷(缺陷深度0.4、0.8、1.2、1.6和2.0 mm, 样品厚度4 mm)的30CrMnSiNi2A超高强度钢进行修复, 对激光功率、激光扫描速度、送丝速度进行正交试验得出最佳工艺, 以获得性能优良的修复样品。利用光学显微镜(OM)、电子扫描显微镜(SEM)、显微硬度仪和万能试验机对修复件熔池尺寸、显微组织、显微硬度、抗拉强度和拉伸断口进行了研究。结果表明, 1.2 mm缺陷深度, 激光功率3.1 kW, 焊接速度0.9 m/min, 送丝速度2.4 m/min时, 修复件性能最佳, 抗拉强度达到原件设计标准, 断口出现在堆焊层。工艺参数影响着熔池质量尺寸参数, 包括熔深、堆焊层宽度和堆高, 从而影响修复件质量。根据缺陷深度, 采用各自的最佳工艺, 在预置缺陷深度0.4 mm、0.8 mm和1.2 mm的样品中, 抗拉强度基本达标, 超过1.2 mm时, 抗拉强度急剧下降,不达标。由此得到预置缺陷的样品临界修复尺寸是1.2 mm, 即占板厚的30%。

通过激光熔覆技术，在30CrMnSiNi2A超高强度钢表面熔覆了1Cr15Ni4Mo3粉末，研究了熔覆层的显微组织和力学性能。结果表明，熔覆层组织主要为马氏体和奥氏体的双向组织；熔覆接头经过200 ℃低温回火处理后，拉伸强度大于1300 MPa，延伸率为8.1%，冲击韧性为53.8 J·cm-2，恢复到30CrMnSiNi2A超高强度钢母材的强度与延伸率的近90%，且冲击韧性达到母材的两倍。

研究了激光修复300M超高强度钢冲击韧性及断裂机理。结果表明, 激光修复300M超高强度钢沉积态的显微组织从修复区顶部到基材区发生了显著变化, 经过热处理后显微组织发生明显均匀化, 修复试样沉积态的冲击韧性为14.3 J/cm2, 远低于300M超高强度钢锻件。经过热处理后, 冲击韧性有了显著地提高, 达到28.3 J/cm2。沉积态试样的断裂方式为准解理断裂, 主裂纹在扩展的过程中横穿马氏体领域, 且在遇到下一个领域时会发生偏转。热处理态试样的断裂方式为韧性断裂。

采用激光增材制造技术制备了AF1410 超高强度钢厚板试样，采取均匀化热处理和AF1410 钢传统热处理工艺相结合的热处理制度。分析了其沉积态和热处理后的微观组织、硬度及室温拉伸性能变化。结果表明：激光增材制造的沉积态AF1410 超高强度钢试样组织表现出定向凝固的特征，硬度约为360 HV；经热处理后，试样中定向胞状凝固组织消失，组织细化，获得细小的回火马氏体组织，硬度达到510 HV 左右，室温屈服强度和抗拉强度分别达到1490 MPa和1610 MPa，延伸率和断面收缩率分别为12.8%和70%。

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。

研究了激光立体成形技术制备的 300M超高强度钢试样热处理前后的组织演化。结果表明, 300M钢的沉积态组织呈现细密的初生奥氏体柱状枝晶形态, 并导致整体相形态呈现一定的取向性, 相组成由底部的马氏体为主经中部的马氏体＋下贝氏体转变为顶部的马氏体＋上贝氏体。经过热处理后, 初生的柱状枝晶生长形态消失, 组织明显均匀细化, 呈现显著细化的板条状马氏体形态。另外, 本文还分析了激光立体成形 300M钢可能出现的宏观缺陷, 并指出了其成因。

采用5 kWCO2激光焊接超高强度30CrMnSiNi2A钢, 以获得性能优良的焊接接头。利用光学显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)、电子扫描显微镜(SEM)、显微硬度仪、电子万能试验机和X射线应力测定仪对激光焊接接头的显微组织、硬度、抗拉强度、拉伸断口和残余应力进行了研究。结果表明, 焊缝中心区组织为等轴晶, 近中心区组织为枝状晶, 边缘区组织为粗大的柱状晶, 熔合区组织为细长柱状晶和细小等轴晶。热影响区(HAZ)组织主要为板条马氏体、贝氏体和少量残余奥氏体；焊缝区主要由α-Fe, NiCrFe, Fe-Ni以及MnSi2等相组成；焊缝区的硬度最高值约为518 HV, HAZ硬度最高值约为560 HV, 从HAZ到基材硬度明显下降；焊接接头的抗拉强度平均值为802 MPa, 断口均出现在靠近焊缝的母材区；焊接接头的冲击韧性为75.7 J/cm2; 焊接接头的残余应力为压应力, 焊缝区的残余应力平均值为-17 MPa, 热影响区的残余应力平均值为-59 MPa。