为进一步提高铝基复合材料的强度与韧性，避免强韧性倒置关系，通过在铝基体中加入不同体积分数与尺寸的钛合金骨架结构，制备出强韧性可调控的仿竹纤维Al-Ti复合结构。研究发现：钛合金强化骨架与铝合金基体界面间发生了扩散反应，形成了致密的冶金结合，界面内析出相为钛铝金属间化合物。与传统铝基复材相比，复合结构铝基复合材料抗压强度高达380~1085 MPa，形成一体化微/宏观“高强-高韧”纤维状复合结构。对微观变形机制进行研究：高强度化合物的析出有效阻止了异质界面内裂纹萌生、扩展。同时高分辨下观察发现，界面内析出的Ti₃Al相变形后在晶粒内部形成了有效的变形孪晶，提升了界面内高、低模量析出相间协调变形能力，是复合结构增强-增韧的主要机制。

翘曲变形与开裂是激光沉积制造大型整体结构的瓶颈，限制了该技术的发展。为解决这一难题，笔者基于表面形貌监测系统提出了一种翘曲变形原位检测及开裂预测新算法。通过坐标系校准、滤波降噪、曲面重构等实现了原位检测与数据预处理，采用旋转切片和平行切片两种方案求取切片与重构表面的交线，计算交线的翘曲角与翘曲角变化量，根据翘曲阈值与开裂阈值判定翘曲变形并预测开裂。设定的阈值与制件尺寸呈反比关系，与翘曲度呈正比关系。实验结果表明：翘曲样件X向的最大翘曲角为3.98°，且该方向所有交线的翘曲角均超出了翘曲阈值（3.27°），判定发生翘曲变形；薄壁件开裂影响区内翘曲角的最大值在第46~51层呈连续正增长趋势，翘曲角变化量为1.58°，且80%的交线的翘曲角变化量超出了开裂阈值（1.53°），判定即将发生开裂，继续沉积至第55层时出现开裂。通过实验证实了所提算法检测翘曲与预测开裂的有效性，对激光沉积制造技术的发展具有重要意义。

结构拓扑优化设计以寻求材料最优分布形式与最佳承力路径为目的，在符合结构材料力学特性的前提下，实现结构的轻量化设计。然而拓扑结构往往比较复杂，传统制造技术难以实现精准、快速制造。金属增材制造技术可实现复杂零件的快速制造，极大地拓宽了设计空间。综述了面向金属增材制造技术的结构拓扑优化设计研究进展，从优化拓扑算法的角度，归纳了基于单元网格与边界演化的拓扑优化方法在改善结构连续性与可制造性方面的有效措施；从金属增材制造约束的角度，总结了考虑几何约束、成形约束、材料性能约束的拓扑优化方法，并结合金属增材制造与拓扑优化技术的发展趋势进行了展望。

通过激光增材连接技术可以高效连接分散制造的零部件，进而实现以小拼大的增材制造。利用激光增材连接技术，分别以AlSi10Mg铝合金粉末与2024铝合金粉末作为填充粉末，将选择性激光熔融AlSi10Mg铝合金与电弧增材制造2024铝合金进行激光增材连接，对比分析了连接区域的显微组织及力学性能。试验结果表明：使用AlSi10Mg粉末增材连接后，连接区域为柱状晶组织，其生长方向与沉积方向大致平行；相比之下，使用2024粉末增材连接后，连接区域的晶粒更加细小。在相同退火热处理制度下，与AlSi10Mg连接试样相比，2024连接试样连接区域的平均显微硬度提升了31.90%，平均抗拉强度提高了15.22%，这主要是2024连接试样显著的细晶强化与第二相强化效应导致的，二者的拉伸断裂机制均为准解理断裂。

通过机械混粉的方式在常规GH4169合金粉末中加入一定比例的Al粉末(质量分数分别为0、0.50%和0.85%)，通过激光沉积制造技术进行块体材料的制备，研究Al元素含量变化对GH4169合金沉积态及热处理态试样微观组织的影响，并对不同成分合金的高温组织稳定性进行深入分析。结果表明：激光沉积制造不同Al含量GH4169合金沉积态试样的显微组织均表现为外延生长的柱状晶特征，随着Al含量的增加，Laves相与枝晶间区域的元素偏析程度降低，合金的二次枝晶形貌逐渐发达。差式扫描热结果显示：随着Al含量的增加，NbC碳化物和γ基体的熔点降低；经固溶＋时效热处理[980 ℃/1 h，空冷(AC), 720 ℃/8 h，炉冷(降温速率为50 ℃/h)至620 ℃/8 h，AC]后，Laves相大量溶解，针状δ相析出，且随着Al含量的增加，δ相发生碎化；不同成分合金经680 ℃/100 h高温时效热处理后，δ相数量随着Al元素含量的增加先减少再增加，GH4169＋0.5Al合金的δ相数量最少，组织的热稳定性最好。

第二相对增材制造钛合金材料的组织与性能有显著影响。将不同质量分数的B粉与Ti-6Al-4V粉末混合,在激光沉积制造(LDM)工艺下制备出块状样品,结合样品的室温拉伸性能,对第二相在显微组织形成、基体形变过程中的强化机制进行了讨论。研究结果表明,在LDM过程中,B与Ti-6Al-4V合金中的Ti发生原位反应,生成针状TiB第二相,并均匀分布于基体中。随合金中TiB含量的增加,原始β柱状晶尺寸逐渐减小,晶内片层状α相逐渐粗化,合金的室温拉伸强度和塑性均获得提高。TiB与基体α相间具有严格晶体学位相关系,在阻碍基体应变过程中,针状TiB易沿直径方向断裂,断裂处在随后的形变过程中形成孔洞。最佳强化效果出现在含有B粉质量分数为0.1%的样品中,原因在于当合金中B粉质量分数过大时,会出现过多的针状TiB断裂,此时连续孔洞转变为微裂纹,导致材料塑性下降。

为解决激光增材制造中由于温度分布不均匀而导致的成形件的变形、开裂等问题,本文提出了一种基于特征区域的分区扫描策略。利用ANSYS模拟了L型与T字型这两种特征区域的沉积制造过程,分析了不同扫描起点位置对特征区域温度场分布和基材节点热循环的影响,得到了这两种特征区域的最佳扫描起点位置。在此基础上,模拟了三种基于特征区域的跳转扫描顺序沉积成形件的过程,得到了不同跳转扫描顺序下成形件的温度与应力分布,并通过热电偶测温与基材翘曲变形实验对模拟结果进行验证,实验结果与模拟结果相吻合。研究结果表明,基于特征区域的最大跨距跳转扫描策略可使沉积制造过程中基材的温度分布更均匀,成形件应力与变形量更小,有利于提高成形件的尺寸精度。

在激光沉积制造过程中,热累积等因素会导致实际成形形貌与理想形貌存在较大偏差,从而阻碍沉积制造的进一步进行。为此,本文提出了基于点云数据的形貌偏差检测与控制方法。采用高速轮廓测量仪扫描沉积体表面,将获得的形貌点云数据与沉积层切片理论数据进行对比,提取出构成偏差区域的点云数据,对偏差点云进行分层切片,然后运用图像边界识别算法提取切片偏差轮廓,确定偏差轮廓区域在原始切片轮廓区域中的准确位置,改变偏差轮廓区域内的填充间距,为其填充成形轨迹,最后生成沉积程序并对偏差区域进行补偿加工。实验结果表明,补偿后获得的成形表面的平面度误差较补偿前减小了65.1%。本文方法能够显著提高零件的成形精度,实现了检测和补偿的自动化,使激光沉积制造可以连续进行。

以球磨TiB2和Ti-6Al-4V混合粉末为原料,采用选区激光熔化(SLM)技术制备了增强相为TiB的钛基复合材料,分析了B元素含量对SLM成形钛基复合材料显微组织和力学性能的影响。研究结果表明:在SLM过程中,TiB2与Ti元素发生反应生成针状TiB增强相,B元素含量较高的试样中出现了针状增强相聚集的现象;由于B元素的存在,钛基复合材料中的α相明显细化;相比于传统的Ti-6Al-4V合金,TiB/Ti-6Al-4V复合材料的显微硬度、抗拉强度以及屈服强度均有明显改善。钛基复合材料优异的力学性能归因于TiB增强相的硬化、强化效应以及基体的晶粒细化。当B元素的质量分数为0.5%时,α片层的平均尺寸为0.49 μm,钛基复合材料的抗拉强度和屈服强度相比于Ti-6Al-4V分别提高了25.7%和30.8%,抗拉强度为1396.4 MPa,屈服强度为1322.2 MPa。

以含有Fe元素和不含Fe元素的两种钛合金粉末为原料, 采用激光沉积制造技术制备高强钛合金样块, 并对其进行固溶+时效处理, 通过光学显微镜、扫描电子显微镜、显微硬度仪、X射线衍射及室温拉伸等手段, 研究了Fe元素的加入对高强钛合金组织和拉伸性能的影响。结果表明: 含有Fe元素的钛合金试件的抗拉强度和屈服强度都优于不含Fe的钛合金, 但塑性比较差。其中主要的原因是Fe元素的固溶强化作用, 促进了β相的生成, 保留更多β相到室温, 获得更加细小的β转变组织, 起到了细晶强化作用, 使抗拉强度和屈服强度均得到了增强。两种钛合金的断裂方式均为半韧性半解理断裂, 两种钛合金的断口表面较平整, 有延性区域和解理面的特征, 有Fe元素的钛合金因二次裂纹的存在使钛合金的塑性降低, 无Fe元素的钛合金因高密度的韧窝分布使钛合金的塑性得到了提高。