本文通过在TC4中添加一定质量分数的钒元素(2%，4%，6%，8%，10%)，研究了钒对激光熔化沉积(LMD)钛合金沉积态显微组织、相组成及力学性能的作用机制。结果表明，随着V含量的增加，沉积方向(Z方向)的原始β柱状晶晶粒尺寸逐渐减小，沉积层底部柱状晶平均宽度从1 mm(TC4＋0%V)左右减小到0.24 mm(TC4＋10%V)，且沿Z方向组织存在逐渐向等轴晶转化的趋势；不同V含量的沉积态样件组织均由大量密排六方结构α-Ti(α)相和少量体心立方结构β-Ti(β)相构成，而β相的相对含量(质量分数)随着V含量的增加，由0.83%(TC4＋0%V)逐渐提高到30.91%(TC4＋10%V)。另外，随着V含量的增加，初生针状α组织逐渐细化，并更加趋向于等轴晶。添加V能够明显提高沉积态样件的抗拉强度，但塑性在一定程度上有所降低；当V元素添加量为6%时，沉积态样件的综合力学性能最佳，抗拉强度约为1018 MPa，屈服强度约为892 MPa，伸长率约为11.2%，均超过了TC4锻件标准；不同V含量的沉积态样件断口上均布满了韧窝，均为塑性断裂。

采用激光3D打印技术制备了TC4合金试样,研究了固溶时效处理对激光3D打印TC4合金显微组织和力学性能的影响规律。结果表明:随着固溶温度升高,初生α相的粗化现象越发明显;随着固溶时间延长,α相转变为β相的数量增多;随着时效温度升高,残余β相中析出的次生α相的长宽均有所增加;随着时效时间延长,次生α相的体积分数有所增加;在时效处理过程中,初生α相中析出了次生网状β相,初生α相之间的β相中析出了次生α相,这两种次生相的析出会影响试样的性能。在950 ℃/1 h/WQ+550 ℃/4 h/AC固溶时效条件下处理后,钛合金的室温抗拉强度为990 MPa,屈服强度为920 MPa,伸长率为11.5%,断面收缩率为27.5%,达到了锻件的国标要求;沉积态和固溶时效态拉伸试样的断口上均布满了韧窝,均为塑性断裂。

采用光纤激光-MAG复合焊接技术,在激光输出功率为10 kW的条件下单道一次穿透焊接18 mm厚EH36船用高强钢板,实现了良好的单面焊双面成形工艺技术,且无焊接缺陷存在。本次试验的最佳工艺参数为激光输出功率10 kW、离焦量0 mm、光丝间距3 mm、焊接电流400 A、焊接电压31.1 V、送丝速度14.2 m/min、焊丝伸出长度20 mm、保护气流量20 L/min、焊接速度1.5 m/min。采用分析检测设备对焊接接头的显微组织及力学性能进行分析。结果表明:焊缝上部(电弧作用区)的组织特点是先共析铁素体在柱状晶界以侧板条状生长,在柱状晶内还存在少量粒状铁素体;在柱状晶内,亚结构组织主要由板条状马氏体和针状贝氏体组成,并存在少量上贝氏体;V形带状组织主要由板条马氏体与少量贝氏体构成。焊缝下部(激光作用区)组织主要由板条马氏体组成。电弧作用区与激光作用区的焊接热影响区组织主要由板条马氏体组成。电弧作用区与激光作用区的焊接接头最高硬度均出现在热影响区,激光作用区的焊缝硬度最高,然后依次为焊缝中V形带状组织区、电弧作用区焊缝。焊接接头在室温下的平均抗拉强度为521 MPa,拉伸试样均断裂于母材;焊接接头正弯试验满足标准要求;在-20 ℃下,焊缝金属、热影响区及母材的平均冲击功分别为57,53,52 J,力学性能指标均满足船级社要求。

采用激光三维(3D)打印技术制备了TC4厚壁件,利用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)及电子万能试验机等研究了正火温度对激光3D打印TC4钛合金显微组织、相组成、室温拉伸性能的影响规律。结果表明:当在α-Ti相单相区内正火处理时,α-Ti相再结晶生长,长、宽均增加;组织主要由α-Ti相组成,含有少量(或微量)β-Ti相;合金的室温拉伸性能一般。当在α+β两相区内正火处理时,沉积态下的细长状初生α-Ti相由于β-Ti相析出而被截断,变成短棒状初生α-Ti相;β-Ti相不仅与次生α-Ti相共存于短棒状初生α-Ti相之间,还会在短棒状初生α-Ti相内部呈网状析出。经990 ℃/2 h/AC处理后,合金的室温抗拉强度为960 MPa,屈服强度为835 MPa,断后伸长率为17%,达到了锻件国标要求。拉伸试样断口上均布满韧窝,均为延性断裂。

将Ti-48Al-2Cr-2Nb合金粉和铌粉进行机械混合,然后采用激光增材制造工艺成功制备出γ-TiAl合金样品,研究了激光功率、扫描速率和送粉量对沉积成形的影响规律,分析了沉积层的显微组织、相组成、断口形貌及沉积层的硬度分布。研究结果表明:随着激光功率增大,沉积层宽和层高均增大;随着扫描速率增大,沉积层宽和层高均减小;随着送粉量增大,沉积层的宽度增大,沉积层的高度基本不变;最佳工艺参数下得到的沉积试样成形良好,无冶金缺陷存在,沉积层由大量γ相和少量α₂相组成;沿沉积试样Z方向的室温压缩屈服强度为905 MPa,抗压强度为1542 MPa,压缩率14.7%,抗拉强度为425 MPa,断后伸长率为3.3%;压缩试样和拉伸试样的断口均为准解理断口。

为降低激光直接制造大型TC4构件的基底变形及残余应力, 研究了不同选区顺序对分区扫描成形时基底变形及残余应力的影响。分别采用新定义的由外而内、由内而外选区顺序及常规的随机选区顺序进行沉积实验, 并运用面结构光及X射线衍射检测方法对基底变形及沉积层残余应力进行测量。结果表明: 不同选区顺序对成形件基底变形及残余应力影响显著, 采用由外而内选区顺序可大幅减小基底变形, 与随机选区顺序相比, 基底最大变形量降低60%, 但是在沉积层引入了较大的残余应力, 最大残余应力达到了392 MPa; 随机选区顺序下沉积层残余应力量级较小, 最大残余应力仅约93 MPa, 残余应力分布更为均匀。因此, 分别采用由外而内及随机选区顺序进行前后期成形有利于减小和平衡大尺寸TC4成形件基底变形及残余应力。

利用光纤激光-MAG复合焊工艺焊接了14 mm厚的EH36高强钢, 研究了激光功率、焊接速度和焊接电流对焊缝成形的影响, 并分析了优化工艺下焊接接头的组织和性能。结果表明, 随着激光功率的增大, 焊缝的熔深增大, 熔宽基本不变; 随着焊接速率的增大, 焊缝的熔宽减小; 随着焊接电流的增大, 焊缝的熔宽基本不变。最佳焊接工艺下得到的焊缝成形良好且无焊接缺陷存在; 焊缝及热影响区的组织主要由板条马氏体组成; 焊缝金属的硬度大于母材的; 拉伸试样断裂位置在母材; 焊缝横向侧弯试验后, 拉伸面没有出现裂纹; 焊缝冲击试样断面为准解理断口形貌。

根据脉冲法测距原理, 采用功率激光器和PIN探测器设计了一种高速信号采集处理系统, 构建便携式激光测云仪系统。基于Cyclone iv FPGA定制了ADC控制接口配合复杂的系统时序完成高速数据采集存储与处理。将采集到的数据依据曲率分段, 利用快速小波除噪算法处理后, 与参考云层数据进行灰色关联分析。实验表明, 该设计系统集成度高, 测量结果一致性较好。

利用光纤激光研究了环形激光束的形成原理，并利用环形激光束实现了高分子材料的超高速焊接。试验结果表明，随着准直镜焦距的增加，环形激光束的外径不变，内径减小，环形激光束的光环宽度增加；随着第一枚圆锥透镜和第二枚圆锥透镜的间距L12增加，环形激光束的内径和外径同时增加，而环形激光束的光环宽度几乎不变；通过准直镜、第一枚圆锥透镜及第二枚圆锥透镜的同轴性调节，可获得能量密度分布均匀的环形激光束；利用外部直径为54 mm、内部直径为47 mm 及宽度为3.5 mm 的环形激光束，对厚度为(2+1) mm 的高分子材料搭接接头实现了超高速焊接。当试验压力为100 N，激光输出功率为800 W，焊接时间为0.6 s 时，高分子材料焊接接头拉伸剪切性能与母材相同，其拉伸剪切断口位于母材(TPV-弹性体)上。

为了提高低碳钢表面的耐磨性能，采用CO2激光堆焊系统，将Co基合金与WC混合粉末(WC的质量分数为0~0.47)用单道堆焊于低碳钢表面。利用X射线衍射仪、能谱分析仪、扫描电子显微镜、激光显微镜、维氏硬度计和耐磨试验机对单道堆焊层的相结构、显微组织、维氏硬度、耐磨性和裂纹敏感性进行了比较分析。结果表明，这种堆焊方法的堆焊层均为亚共晶组织，且未分解WC弥散分散在Co基合金的基体上; 堆焊层的维氏硬度均随WC含量的增加而增加。该方法具有较低的裂纹敏感性。