研究了DD6镍基单晶高温合金在不同功率下重熔区内部杂晶的形成机制。碳化物的形成导致固液界面塌陷，进而诱导杂晶的形成；熔池顶部杂晶的产生主要与温度梯度、固液界面的迁移速率有关。激光功率升高导致温度梯度降低，进而诱导柱状晶向等轴晶转变（CET）；转向枝晶交汇处杂晶的产生是由枝晶交汇处的温度梯度比其他地方小以及温度梯度方向改变引起的。热应力数值模拟结果表明：低激光功率下的热输入可以有效提高温度梯度并有效降低残余应力水平，有利于抑制单晶修复过程中杂晶的形成。该研究可为单晶修复过程中杂晶的抑制提供理论和实验支撑。

为了改善水导激光制备单晶镍合金微孔的表面形貌，降低微孔锥度，采用控制变量法研究了在单步螺旋打孔方法下，激光单脉冲能量、扫描速度、进给次数和扫描圈数对微孔表面形貌及锥度的影响规律。提出了多步螺旋打孔方法，并在优选加工参数组合下与单步螺旋打孔方法进行了比较。结果表明，增加单脉冲能量和降低扫描速度可以改善微孔表面形貌，减小微孔锥度。随着进给次数的增多，微孔表面形貌逐渐变好，微孔锥度先减小后饱和。随着扫描圈数的增多，微孔表面形貌逐渐变差，微孔锥度先增大后减小。采用多步螺旋打孔方法加工的微孔锥度仅为0.29°，比单步螺旋打孔方法降低了70%，且尺寸偏差和圆度都控制在20 μm以内。

使用激光熔化沉积技术制备了ATI 718Plus薄壁单墙样品，研究了不同热处理工艺对沉积单墙组织及力学性能的影响。沉积态组织主要呈现外延生长的柱状树枝晶形貌，枝晶间析出了大量Laves相，该相消耗了大量Nb、Mo等合金强化元素。试验发现热处理工艺对样品组织有着显著影响。直接时效热处理后，Laves未发生明显溶解，但周围析出了大量η相；982 ℃固溶时效热处理后，Laves相由长链状变为颗粒状，有部分再结晶发生；而1020 ℃固溶时效热处理后，Laves相基本溶解，再结晶现象显著，柱状晶转变为等轴晶。室温拉伸结果表明，合适的热处理可以减少Laves相，从而提高沉积样品的强度和塑性。其中直接时效热处理的强度最高，相比沉积态抗拉强度提高了51.9%，但断后伸长率下降了13%。1020 ℃固溶时效热处理的综合性能最好，相比沉积态抗拉强度提高了34.2%，断后伸长率提高了25.8%。

高频窄脉冲电解加工技术能有效提高加工精度和表面质量，在镍基高温合金等难加工金属材料的精密制造方面有着广泛的应用。然而，对于微观组织极不均匀的激光定向能量沉积构件，其加工质量尚不清晰，尤其是采用无水电解液时。以激光定向能量沉积Inconel 718合金为研究对象，采用频率为30~100 kHz、占空比为30%~80%的高频窄脉冲电流以及饱和NaCl乙二醇电解液进行射流电解加工实验。结果表明：沉积态Inconel 718合金组织由γ基体相、Nb偏析区与枝晶间相（主要为γ/Laves共晶相）组成；在10.50 A/cm²的电流密度下，加工区表面粗糙度随脉冲频率的增加而增大，且脉冲频率为30 kHz时表面粗糙度最小（R_a=1.562 μm），加工精度最高；表面粗糙度随占空比的增加先减小后增大，占空比为50%时表面粗糙度最小，占空比为60%时加工精度最高；而在直流模式下，表面粗糙度随电流密度的增大而降低，且电流密度为10.50 A/cm²时，表面质量最优（R_a=0.526 μm），这是由于高电流密度更容易诱导表面“过饱和盐膜”的形成，从而有效抑制选择性溶解，降低表面粗糙度。但在加工精度方面，高频窄脉冲电流模式的加工定域性较好。最后，基于“盐膜”理论和双电层模型，揭示了高频窄脉冲电流模式下沉积态Inconel 718合金的微区阳极溶解机理，为提高激光增材制造镍基高温合金射流电解加工表面质量提供了理论支撑和实验依据。

GH3536高温合金具有优异的耐腐蚀性和高温强度，常用于燃烧室和燃气轮机等高温零部件的制造。增减材复合制造（ASHM）技术综合了增材成形灵活性高和减材表面质量好的优势，是制造高性能GH3536零件的有效途径。由于ASHM采用增材和减材交替进行的方式，因此确定最优的增材工艺参数，选择合适的刀具类型对提高GH3536零件的制造质量具有重要意义。利用激光选区熔化制备了增材试样，检测了试样的相对致密度以获得GH3536的最优增材成形参数。利用扫描电子显微镜和电子背散射衍射对最优增材成形参数下加工的GH3536的微观结构进行了观察。开展了GH3536的ASHM实验，研究了球头刀、圆鼻刀、平面铣刀三种不同类型刀具对试样减材加工表面质量的影响。结果表明：当激光功率为400 W、扫描速度为1750 mm/s时，增材试样无明显缺陷，相对致密度达到99.93%，是增材成形的最优参数；采用圆鼻刀加工的GH3536表面粗糙度可达0.211 μm。本研究可为GH3536零件的ASHM参数和刀具类型确定提供指导和参考。

激光粉末床熔融（LPBF）是钴基高温合金复杂构件整体制造的理想方法。ECY768是一种性能优异的新型钴基高温合金，但目前LPBF成形ECY768合金的研究还十分匮乏。研究了LPBF成形ECY768钴基高温合金的冶金缺陷、显微组织和基础力学性能。结果表明：LPBF成形ECY768合金的冶金缺陷主要为气孔、未熔合和热裂纹；通过调整激光体能量密度等工艺参数，可实现无裂纹、高致密（孔隙率<0.5%）ECY768合金成形。LPBF成形ECY768合金的显微组织为以柱状晶为主的“柱状晶+等轴晶”混合组织，总体上呈一定的“〈0 0 1〉/构建方向”择优取向；晶粒内部具有细密的胞状亚晶结构，胞晶边界不仅分布有胞状位错网络，还分布有球状MC型和条带状M₂₃C₆型两类纳米级碳化物析出相。在优选工艺参数下，LPBF成形ECY768合金的屈服强度为1002 MPa（构建方向）/1267 MPa（垂直构建方向），远高于铸造或LPBF成形的其他主要钴基高温合金；延伸率为10.5%（构建方向）/13.3%（垂直构建方向），与铸造或LPBF成形的其他主要钴基高温合金基本相当。优良的致密度、细密的胞状亚晶结构、纳米碳化物的大量析出及其与位错网络的相互作用是LPBF成形ECY768合金具有优异力学性能的关键。

采用激光修复技术和GH4169合金粉末，在GH738合金基材试块上制备激光成形修复件，对其进行固溶+双时效热处理。对试块进行了高温持久和高温低周疲劳性能试验，观察试样断口形貌并分析断裂机理。结果表明：激光修复GH4169/GH738合金的组织结合处冶金质量良好，呈现向外连续生长的柱状晶组织；在650 ℃、690 MPa下进行持久试验，修复试样晶界析出Laves相，导致裂纹的萌生，与晶界分离形成微观空洞，同时气孔促进了裂纹的扩展，为穿晶和沿晶的混合韧性断裂模式。在455 ℃下进行低周疲劳试验，发现疲劳裂纹源于表面和气孔，以河流状花样向中心扩散，拓展区存在疲劳辉纹，为解理和穿晶两种断裂模式。采用GH4169合金粉末修复可满足常规铸锻GH738合金性能要求。

镍基单晶高温合金是含有10~15种元素的复杂合金, 具备优良的高温强度和耐腐蚀性。 目前, 先进燃气涡轮发动机的涡轮部件几乎都采用空心结构的单晶叶片。 叶片服役过程中要承受超过其熔化温度数百摄氏度的高温和巨大离心应力, 是工况条件最为恶劣的航空零件, 被誉为“工业王冠上的明珠”, 研制发展更耐高温的叶片材料以及改进叶片的冷却技术是提高涡轮进口温度的关键手段。 新一代的单晶叶片中添加大量难熔元素（如Ta, W和Re等）用来提高承温能力, 但这些元素在凝固过程中存在严重的枝晶偏析, 导致组织内成分分布不均匀。 通常采用复杂的多级热处理来溶解非平衡组织, 减小偏析。 枝晶间成分的详细表征对优化热处理工艺和叶片设计具有重要的意义。 微束X射线荧光光谱是一种无损检测技术, 制样简单, 无需镀导电膜, 可对样品进行多元素同时检测, 多用于生物和考古领域, 定量表征成分复杂的金属材料存在一定困难, 应用案例较少。 单晶高温合金具有特殊的十字枝晶组织, 尺寸约为几百微米, 微束X射线荧光光谱可以满足单晶叶片枝晶成分的详细表征和大区域面积的成分分布定量统计需求。 本实验基于微束X射线荧光光谱技术, 建立了镍基单晶高温合金枝晶成分定量统计分布表征方法, 并应用于新型单晶涡轮叶片的全域枝晶组织成分定量分布表征, 探讨了单晶涡轮叶片叶冠到榫头的成分演变规律, 获得了不同部位主元素的一次偏析比和二次偏析比。 结果表明, Re, W和Ta元素偏析严重, 随着叶片截面尺寸的增加及与冷却铜盘距离的增加, 叶片叶冠到榫头各元素的偏析程度降低; Cr, Co和Mo元素偏析比接近于1, 偏析变化不明显, 分布较均匀。 通过对单晶叶片枝晶成分的定量统计解析, 获得了单晶叶片成分的演变规律, 为叶片的设计和凝固工艺的改进提供数据支撑。

多激光粉末床熔融（ML-PBF）采用多束激光并行加工，是提高制造效率和大尺寸零件整体化增材制造的有效方法。但不同的激光束实际工作时参数难以保持一致，特别是激光功率会存在偏差，其中多激光搭接区最为关键。笔者通过设置4组差值为10、20、30、40 W的激光功率组合，探究了激光功率对ML-PBF制备的GH3536镍基高温合金搭接区组织和性能的影响。结果表明：成形试样的致密度最高可达99.6%，但搭接激光功率增大不仅会导致致密度降低至99.3%，孔隙率超过0.08%，还会导致γ相的衍射峰向大角度偏移，晶格常数降低。同时，随着搭接激光功率增大，搭接区内的晶粒尺寸由14.57 μm增大至17.23 μm，大角度晶界占比由36.66%上升至55.91%。搭接区内残余应力随着搭接激光功率的增大而先降低后升高，在激光功率相差30 W时降至最低值43.8 MPa。搭接区硬度随着搭接激光功率的增大而降低，由297.3 HV3降低至291.1 HV3。4组激光功率组合下制备的试样的极限抗拉强度在792.9~830.9 MPa范围内，当激光功率相差10 W时强度达到最高值，延伸率为23.7%。增大搭接激光功率会降低ML-PBF的熔凝稳定性并增大温度梯度，进而对搭接区内的微观组织、残余应力以及零件的力学性能产生影响。