针对金属材料3D打印过程模拟异常复杂和耗时问题，以金属材料激光选区熔化(SLM)加工工艺为研究对象，采用修正固有应变方法，实现3D打印过程残余变形的精确快速预测。考虑到3D打印过程的周期性，对连续两个打印层进行热-弹-塑性耦合分析，通过修正固有应变理论，提取3D打印过程等效的修正固有应变载荷；将提取到的修正固有应变逐层施加到弹性有限元模型，实现3D打印过程高效模拟及残余变形精确预测；通过与3D打印完整过程热-固耦合分析及3D打印试验对比，验证修正固有应变方法预测3D打印残余变形的精确性和高效性。

本文基于三周期极小曲面(TPMS)进行不同单元类型梯度孔隙率结构的优化设计，并进行静力学及粉末流体仿真，用于对比两种单元的应力集中程度和粉末流通能力。通过对比不同梯度孔隙率的两种单元发现，由于支柱设计类型不同，primitive单元相较于gyroid单元有着更优异的力学性能；5%梯度孔隙率(45%～50%)设计在两种单元中均有着最优的力学性能；相对于均匀孔隙率的gyroid单元多孔结构，5%梯度孔隙率primitive单元多孔结构的杨氏模量为7.34 GPa，仅提升了约3.93%，但其平均屈服强度可达到444.85 MPa，大幅提升约63.42%，平均抗压强度为606.57 MPa，提升了75.20%。本研究发现，屈服强度与有效支柱尺寸的相关性较强，抗压强度与应力集中程度的相关性较强。选择合适的多孔单元类型在与加载方向成45°夹角的位置进行孔隙率梯度调整，可使整体结构具有合适的孔径和支柱直径、优良的抗压能力、较小的应力集中程度以及较优异的粉末流通能力，最终可显著提升整体结构的力学性能。

通过热处理工艺制备了6种不同回火温度的GCr15钢样品，通过对样品的光谱特性进行分析，发现谱线强度的比值与样品的硬度之间存在线性相关性，并且这种相关性的大小与所选择的分析谱线有关。因此，提出将激光诱导击穿光谱与随机森林算法相结合的方法，对样品的硬度进行研究。利用两种特征选择方法建立了不同的随机森林模型，结果表明，当基于主成分分析选择特征时，所建立的随机森林模型不能对样品的硬度进行正确的识别，而当基于变量重要性提取特征时，所建立的随机森林模型能有效识别样品硬度，并且调节随机森林模型的参数可以使模型的性能得到进一步提高。研究结果表明，激光诱导击穿光谱与随机森林算法相结合是一种新颖的硬度测量技术，可以应用于工程中钢的性能评估。

针对Ni60A/WC复合涂层硬质相分布不均、减摩性能不足等问题，利用碳纳米管(CNTs)的高熔点和优良的自润滑性能，采用激光熔覆技术在45钢基体表面制备了添加不同含量CNTs的镍基耐磨涂层。通过扫描电子显微镜、能谱仪和X射线衍射仪(XRD)分析了涂层的显微组织、元素组成和相组成。通过显微硬度计和摩擦磨损试验机测试了涂层的硬度和耐磨性能。XRD图谱表明：熔覆层主要由Ni-Cr-Fe固溶体和WC、W₂C、Cr₃C₂、Cr₇C₃、Cr₂₃C₆、B₄C等硬质相组成。显微组织结果表明：CNTs的添加促进了异质形核，有利于硬质相均匀分布，明显细化了熔覆层的显微组织。由于CNTs具有细化晶粒以及提升自润滑性能的作用，适量添加CNTs可提升熔覆层的显微硬度和耐磨性能。当CNTs的质量分数为0.5%时，熔覆层的显微硬度为1100 HV，摩擦系数为0.3，磨损体积为1.24×10^－4 mm³。相比于不添加CNTs的熔覆层，硬度提升了10%，磨损体积减少了35%。研究结果为制备性能优良的镍基复合涂层提供了参考。

针对激光熔覆制备化妆棉模切刀具基体半径优选问题, 采用单因素试验方法, 研究圆柱基体半径对“曲面基体曲线轨迹”熔覆层形貌及内部质量的影响规律。结果表明：适当减小圆柱基体半径有利于改善熔覆层成形形貌, 改善表面粗糙程度；熔覆效率随圆柱基体半径增大呈减小趋势；熔覆层气孔率随圆柱基体半径增大而呈增大趋势；圆柱基体半径越大, 晶粒越细小, 分布越均匀, 相应的硬度越高, 熔覆层最高硬度可达基体的3.79倍；圆柱基体半径为40 mm时, 截面形貌、熔覆效率、气孔率及组织性能最佳。研究结果为化妆棉模切刀具等“曲面基体曲线轨迹”激光熔覆成形质量的研究提供了理论依据。

针对模具表面易磨损失效的问题，本文采用同步送粉激光熔覆技术在Cr12模具钢表面制备了一系列Fe50-TiC复合熔覆层，并利用扫描电镜（SEM）、显微硬度计、摩擦磨损试验机对熔覆层的微观组织、气孔率、显微硬度及耐磨性能进行分析，探索TiC含量对Fe50-TiC熔覆层的影响规律。研究结果表明：随着TiC含量的增加，复合熔覆层的显微硬度逐渐增大，耐磨性随之增强，但气孔率也呈增大的趋势，未熔TiC颗粒增多，基于颗粒形核生长的组织增多；当TiC的质量分数为35%时，熔覆层的气孔率有所下降，TiC以溶解形核生长的树枝晶为主，熔覆层的平均显微硬度（46.3 HRC）约为基体的2.4倍，磨损体积约为基体的13%。采用Fe50-35%TiC复合粉末制备的Fe50-TiC熔覆层具有较优的综合性能。

以316L不锈钢粉末为研究对象, 采用正交试验方法研究SLM激光快速成形过程中激光功率P、扫描速度v、扫描间距s、铺粉厚度h等工艺参数对成形件上表面和垂直面表面粗糙度的影响规律。实验结果表明: 在上表面, 激光功率和扫描速度对成形件表面粗糙度影响非常显著, 扫描间距对成形件表面粗糙度影响显著, 铺粉厚度对成形件表面粗糙度影响不显著, 各因素对成形件表面粗糙度的影响的重要性次序为激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度, 最佳工艺参数组合为激光功率为220 W, 扫描速度800 mm/s, 扫描间距0.12 mm, 铺粉厚度0.03 mm; 在垂直表面, 各因素对成形件表面粗糙度的影响的重要性次序为激光功率、铺粉厚度、扫描速度、扫描间距, 四个因素对粗糙度影响均不显著。成形件垂直面的表面粗糙度明显大于上表面的表面粗糙度。

为研究18Ni300模具钢选区激光熔化成形过程中多目标最优工艺问题,设计了以激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度为工艺参数,以致密度、硬度、耐磨性为响应目标的响应面中心组合设计实验。结合灰色关联分析得到多目标的综合灰色关联度,通过分析实验的灰色关联度得到了拟合度达78.50%的回归预测模型,以及针对三个响应目标的最优工艺参数,分别为激光功率250 W,扫描速度850 mm/s,扫描间距0.05 mm,铺粉厚度0.02 mm,此工艺参数理想的灰色关联度可达0.9312;在最优工艺参数下得到了相对密度为99.5%、硬度为41.5 HRC、磨损体积为192000 μm 3、灰色关联度为0.8895的验证样件,该样件符合预期结果,说明优化方法切实可行。

为了利用激光熔覆技术实现模切机刀辊刀刃的增材制造, 以激光功率、扫描速度、离焦量为影响因素, 在45钢表面进行WC增强Ni基混合粉末的单道激光熔覆正交试验, 制备单道激光熔覆梯度涂层, 并对熔覆层的显微组织结构、缺陷率、残余应力以及显微硬度进行分析。由分析结果得出, 熔覆层组织呈现出有利于改善熔覆层性能的明显分层; 缺陷率随着扫描速度和离焦量的增大而增大, 随着激光功率的增大先增大后减小, 其中扫描速度对缺陷率有显著的影响; 熔覆过程中熔覆层与基体之间的温度差以及熔覆层与基体之间热膨胀系数差异是产生残余应力的主要原因。各因素对残余应力的影响主次顺序为扫描速度＞激光功率＞离焦量。组织分层的结构有利于缩小熔覆层与基体的线膨胀系数差异; 显微硬度从基体到熔覆层顶部呈阶梯状增长, 熔覆层顶部的显微硬度可达到70 HRC, 是基体的3～4倍, 优于目前实际大规模使用中性能最优的进口粉末冶金硬质合金的模切机刀棍刀刃硬度(63 HRC)。