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。

研究基于经验工艺参数得到的激光立体成形TC21钛合金沉积态试样中原始β晶粒形貌及其织构特征，分析了激光立体成形工艺在高性能金属材料加工中的应用。结果表明：激光立体成形TC21钛合金宏观组织属于典型外延生长柱状β晶粒，纤维织构特征比较明显；在沿沉积高度方向上，α相尺寸、形貌、体积分数等有显著不均匀性存在，表明TC21钛合金中α相析出对成形过程热历史更敏感。在β相向α相转变时，有变体选择现象发生。在不加干预时，沉积试样位置不同，则热历史不同。因沉积试样底部温度较低，冷却速度较快，试样温度升高时，α′相分解为细小α+β相。

材料早期性能退化阶段的损伤形式以微裂纹为主，微裂纹与超声的非线性作用能够表征材料的损伤情况。根据经典微裂纹非线性弹簧模型，从理论上分析裂纹参数对非线性系数的影响，建立不同裂纹参数的铝合金板三维模型，使用高频Lamb波进行数值仿真，研究长度、宽度和角度与非线性系数的关系，结果表明非线性系数随裂纹长度增加而增加，随裂纹宽度变宽而减小。在Lamb波传播方向与垂直方向布置三个接收探头，三个接收探头的非线性系数随角度增加而变化，因此通过三点的非线性系数值可以判断裂纹的角度。这一研究工作对后续使用高频Lamb波定量检测微裂纹角度具有重要意义。

柔性纳米多孔金属材料在柔性传感、柔性储能等领域具有巨大的应用前景。采用脱合金法、等离子体烧结法、热压法制备的纳米多孔金属材料具有较高的弹性模量和屈服强度,不能满足柔性器件的发展需求。为了解决该问题,通过采用高峰值功率的飞秒激光辐照具有良好柔韧性、导电性及抗氧化性银(Ag)纳米线的方法来制备柔性纳米多孔Ag材料。纳米压痕仪测试了柔性纳米多孔Ag材料的力学性能,实验结果表明,柔性纳米多孔Ag材料的力学性能随着飞秒激光辐照功率的增加而增强。此外,X射线衍射仪测试了柔性纳米多孔Ag材料的晶粒尺寸,发现柔性纳米多孔Ag材料的晶粒尺寸随飞秒激光辐照功率的增大而减小。最后,对飞秒激光辐照法、脱合金法、等离子体烧结法、热压法制备的纳米多孔金属材料的屈服强度进行对比分析,当纳米多孔金属材料的晶粒尺寸为50 nm时,飞秒激光辐照制备的柔性纳米金属多孔材料屈服强度最小(0.8 Mpa)。

为研究不同材料对法布里-珀罗(F-P)干涉声传感器性能的影响。采用几种不同金属材料, 设计制作了基于光纤端面—膜片非本征型F-P干涉声传感器, 利用有限元方法对圆形振动膜片进行模态分析, 得到了一阶固有频率。实验结果表明: 由金、锌合金材料制作的传感器可探测较低声压, 且传感器灵敏度较高、对外界声波信号响应成良好的线性关系。

为了能有效识别金属材料超声检测信号中的微小缺陷回波, 使用递归分析方法对检测信号进行分析。通过对超声波背散射信号进行建模, 说明其组成要素。在超声检测信号中, 缺陷回波信号会对系统的递归特性产生影响。使用递归分析对含0.8 mm平底孔人工模拟缺陷的直径为120 mm低碳钢棒材试块实验采集的背散射信号和无缺陷背散射信号进行了研究。截取试块检测信号中的背散射信号部分, 通过合理的参数选择对其进行递归分析并绘制递归图。通过与实验采集的无缺陷信号的递归图进行对比, 发现缺陷信号会在递归图中产生明显的白色交叉条纹带。使用递归定量分析进一步研究了含缺陷背散射信号的递归特征量, 结果表明捕获时间(TT)、确定率(DET)与递归熵(ENTR)这三项特征量对缺陷信号比较敏感, 在缺陷位置处均会出现明显的峰值。

在医用不锈钢中加入适量的过饱和铜离子后形成的含铜不锈钢,具有较好的生物功能。用激光合金化方法代替传统的热处理合金化方法,在不锈钢的表面形成铜钴合金层,探索一种以上的合金元素同时存在于合金层中的可能性。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪分析了合金层显微组织的结构特征。通过大肠杆菌实验验证了合金层的杀菌功能,通过盐水腐蚀实验分析了合金层的抗腐蚀能力。结果表明:当激光功率为600 W、扫描速度为400 mm/s、预置厚度为500 μm、搭接率为35%时,用铜钴质量百分比为1∶1的混合粉末制成的合金具有稳定的表面金相组织,其杀菌能力以及耐腐蚀性能较好,且合金层的硬度较基体高约20%。激光合金化方法可以代替传统合金化方法进行生物功能化医用金属的制备。

激光中心温度探测是激光领域的一个重要课题, 直接影响着激光在工程技术中的应用。利用XL-800WF光纤传输多功能脉冲激光加工系统, 照射厚钢板, 得到钢板的熔化图。通过显微镜测量熔斑的直径, 从而计算液态钢的凝固时间。根据激光温度的扩散原理, 建立理想条件下钢板的热传导方程, 模拟出钢板的温度演化规律。结合凝固时间, 推导了XL-800WF光纤传输多功能脉冲激光中心温度的理论值。

利用图像点扩散函数(PSF)近似计算法建立线阵探测器工业CT金属材料X射线衰减测量模型, 并利用该测量模型对垂直于X射线平面边界灰度幅值进行数值计算, 获得当前PSF曲线。在此基础上, 建立基于近似PSF曲线的缺陷检测理论模型, 并对缺陷进行定量检测分析。采用高能6 MeV工业CT线阵探测器系统, 对含有人工缺陷的不锈钢试块进行缺陷检测试验。结果表明: 相比于传统半高宽缺陷测量方法, 本实验方法在缺陷定量检测精度上有较大提高, 从而为提升金属材料内部缺陷的定量检测水平提供新的方法和技术途径。