激光增材制造稀土改性高强铝合金因具备轻质高强、复杂构件一体化成形等优势，在航空航天领域具有广阔的应用前景。围绕激光增材制造成形工艺优化、冶金缺陷抑制、力学性能提升及复杂构件形性调控等的研究是近年来的研究难点。本团队开展了激光粉末床熔融成形稀土改性高强铝合金Al-4.2Mg-0.4Sc-0.2Zr的激光工艺优化研究，基于试验表征与数值模拟相结合的方法，揭示了激光扫描速度对成形试件表面质量、内部冶金缺陷、熔池传热传质行为及纳米析出相分布的影响机制。结果显示：当激光功率为300 W、激光扫描速度为800 mm/s，并辅以325 ℃/4 h的时效热处理时，成形试件的致密度最优，为99.5%，抗拉强度为512.4 MPa，延伸率为13.3%。基于优化工艺参数对航空领域两类典型的复杂构件开展了成形试验研究，成形试件的最长外形尺寸为570 mm，表面粗糙度R_a≤7.3 μm，尺寸精度可达0.1 mm/100 mm。

铝合金密度低、比强度高、耐腐蚀性能好，是一种优异的轻量化金属材料。为了提升激光选区熔化（SLM）技术成形铝合金的力学性能，提出将Cu元素作为单质颗粒掺入铝合金材料的强化方法，探究了Cu元素掺入比例对SLM成形铝合金打印质量和性能的影响。结果表明，Cu粉的掺入简单有效地细化了铝合金显微组织晶粒，提高了基础铝合金材料的拉伸强度。Al₂Cu相能有效细化晶粒，在搭接区域形成更细密的微观等轴晶组织。随着铜粉掺入量的增大，组织内部生成的Al₂Cu相逐渐增加，晶粒尺寸逐渐减小，从3.30 μm减小至2.12 μm，显微组织得到了细化。掺入质量分数5%铜粉的样件具有最高的拉伸强度为460 MPa，较未添加样件提高了20.4%，但是过量铜粉掺入后，样件内部因为存在未熔颗粒性能有一定程度的下降。该研究对于进一步提高SLM成形铝合金的力学性能具有重要意义。

针对高强铝合金利用选区激光熔化技术成形困难的问题，基于ANSYS软件进行有限元分析研究激光选区熔化变形铝合金，揭示了成形过程中温度场分布与基本特征，并通过温度分布云图研究了扫描道的温度梯度变化。同时，研究了激光功率和扫描速度对熔池热行为的影响，借助仿真研究了扫描工艺参数对熔池形态变化的影响规律。结果发现：在仿真成形过程中，熔池尺寸与扫描速度呈非线性变化关系，与激光输入的线能量密度呈正相关，随着能量密度的增加，尺寸增加。通过试验对该模拟结果进行验证，此研究可以为后续的成形分析提供理论参考。

激光粉末床熔融(LPBF)技术是近年来快速发展的一种增材制造技术，高强铝合金具有低密度、高强度的特点，如何使用LPBF技术高质量地打印高强铝合金成为近年来的研究热点。本课题组创新性地将含Zr的非晶合金引入到7075高强铝合金中，探究了含Zr非晶合金对7075高强铝合金LPBF打印质量的影响。研究发现，含Zr非晶合金的添加可以有效实现晶粒细化，对于7075高强铝合金LPBF打印过程中的凝固裂纹具有明显的抑制作用。通过改变工艺参数探究了激光功率、扫描速度和扫描间距对单层单道、单层多道以及实体打印件的影响规律。通过正交试验发现致密度和显微硬度最优的工艺参数区间为激光功率300～340 W，扫描速度600～800 mm/s，扫描间距50～70 μm，并在激光能量密度为142.9 J/mm³时得到了致密度为99.4%、显微硬度为154.4 HV的块体试样。本研究对于提高高强铝合金LPBF可打印性以获得质量稳定的无缺陷打印件具有重要意义。

采用万瓦级光纤激光对10 mm厚2A12铝合金开展了激光切割工艺实验, 系统研究了切割速度、辅助气压、离焦量、喷嘴直径、喷嘴高度等参数对切割质量的影响。研究过程中以切面条纹形貌和底部挂渣高度作为依据评价切割质量。首先通过单因素实验, 确定了离焦量、喷嘴直径、喷嘴高度的最佳参数区间; 然后进行全因子实验, 结果表明特定辅助气压下存在可获得良好切割质量的切割速度区间, 在一定程度内增大辅助气压将提高该速度区间。针对10 mm厚铝合金激光切割, 得出最佳工艺参数为: 激光功率9 kW、切割速度1 750 mm/min、辅助气压20 Bar、喷嘴直径3.0 mm、喷嘴高度0.8 mm、离焦量-7 mm。通过对激光切割断面的重铸层分析表明, 析出相在晶界处连续分布及晶内弥散分布, 将对位错运动产生较强的阻碍作用, 一定程度上提高切割表面抗裂纹萌生能力。

利用选区激光熔化技术制备了高强铝合金TiB2/AlSi10Mg试样, 研究了不同的工艺参数激光体能量密度E对于成形试样的致密度、显微组织的影响规律, 并用光学显微镜、扫描电子显微镜对结果进行了表征。分析了不同参数下试样的显微硬度和拉伸性能, 并研究了不同的热处理制度处理后TiB2/AlSi10Mg试样拉伸性能的变化。研究发现, 随着E的增加, 试样上的缺陷越来越少, 致密度逐渐提高, 在E=71.5 J/mm3时, 试样上只存在很少的缺陷, 颗粒团聚现象消失且分布均匀。在该参数下, 试样横截面上的显微硬度在达到了138.9 HV0.5。由于TiB2陶瓷相的加入, SLM成形铝合金的强度能够达到420 MPa, 延伸率为6.13%, 较SLM成形纯AlSi10Mg相比, 强度提升了13.5%, 延伸率提升了50%。热处理温度和热处理时间对SLM成形试验件的拉伸性能也有影响, 对于本试验中, 较为优化的热处理温度为T=170 ℃, 热处理时间t=10 h。

随着轻量化、结构功能一体化的强劲需求, 高强铝合金复杂精密零件在航天航空等领域应用广泛, 但因其焊接性能和铸造性能差, 传统加工方法难以制备。激光选区熔化成形(SLM)技术是制备该类零件的最有前景的新方法。高强铝合金对激光吸收率低、热导率高、易氧化、含大量易烧损合金元素, 有很强的热裂倾向, 成形难度极大, 因此目前其SLM成形技术远落后于其他材料。但是由于其广阔的应用前景, 近几年发展迅速。总结了国内外高强铝合金激光选区熔化成形的研究现状、发展趋势及存在的主要问题。

针对大型飞机高强铝合金壁板激光焊接T 型接头结构的角变形缺陷，提出了一种在蒙皮背部添加辅助热源的方法，有效地控制了角变形的产生。并基于有限元软件ABAQUS，开发了一种适用于这种焊接方法的焊接模型，同时考虑材料非线性、几何非线性和移动热源的热-弹-塑性有限元计算方法来模拟焊接过程中的热-力学耦合行为，分析焊接过程中的温度场、残余应力和焊接变形。同时，采用实验方法测量了加入辅助热源前后焊接接头的变形。结果表明，数值计算所得到的挠曲变形、角变形与实验测量结果十分吻合，验证了所开发的有限元计算方法的有效性。

2524铝合金是高抗损伤容限的新型航空高强铝合金。采用高功率光纤激光器焊接2 mm厚2524铝合金，研究了原始包铝表面、去除包铝层表面氧化膜和去包铝层时的焊接结晶裂纹倾向，借助光学显微镜和电子显微镜分析了焊缝组织形态。结果表明，去氧化膜时结晶裂纹倾向最大，去包铝层后结晶裂纹倾向最小。不同表面状态对结晶裂纹的影响与焊缝组织晶粒大小、共晶形态及其数量密切相关。2524铝合金表面包铝层的存在稀释了焊缝合金元素，共晶数量较少，对裂纹“愈合”作用减弱，因此结晶裂纹倾向大；而包铝层表面氧化膜在焊接时卷入焊接熔池，成为异质形核核心，焊缝组织细小、晶界共晶分布不连续，从而可降低结晶裂纹倾向。

采用CO2激光器对高强铝合金2519-T87进行焊接,研究了其激光焊接头组织和力学性能特征,并与熔化极气体保护焊(MIG)焊接头的组织和力学性能进行了对比。实验结果表明,激光焊焊缝组织细小,晶界共晶相呈短棒状均匀分布,时效后焊缝中有大量细小θ′相均匀析出,且熔合线附近没有形成等轴晶区,而熔化极气体保护焊焊缝组织晶粒粗大,晶界共晶相呈长条网络状分布,时效后焊缝中的θ′相尺寸大,数量少,且分布不均匀,熔合线附近还存在一个较宽的等轴晶区。焊后时效激光焊接头抗拉强度可达到母材的74%,并且随着焊接速度的增加,接头抗拉强度随之增加,而熔化极气体保护焊焊接头抗拉强度仅仅只有母材的61%,且激光焊接头的热影响区(HAZ)中没有明显的软化区。