TC11钛合金具有轻质、高强等优点,有取代高强钢作为航天主承力构件实现轻量化应用的巨大潜力。采用激光熔化沉积技术制备TC11钛合金,对沉积态TC11钛合金进行双重退火热处理,研究了退火温度对TC11钛合金组织和力学性能的影响。结果表明:TC11钛合金组织沿沉积方向呈柱状晶、等轴晶交替生长的现象,沉积态组织主要包括由沿着晶界集束生长的针状α相组成的魏氏组织以及由晶内α+β相组成的网篮组织;经双重退火后,晶内α相粗化、长径比减小,连续晶界α相出现断续、球化、消失现象;当退火温度为1025 ℃时,晶内组织突变为细网篮组织,晶界重新形成连续α相;经双重退火处理后,TC11钛合金的强度和塑性均显著提升,达到锻件标准;随着退火温度升高,TC11钛合金的强度表现为先降低后升高的趋势,塑性表现为先升高后降低的趋势;随着退火温度升高,TC11钛合金的屈强比先增大后降低,并在退火温度为1010 ℃时达到最大;随着退火温度升高,两相区强度的各向异性小于3%,具有趋近各向同性的特性,塑性的各向异性先升高后降低,并在退火温度为995 ℃时达到最低。

研究了退火温度和保温时间对激光选区熔化(SLM)成形TC11钛合金组织性能及断裂机制的影响。结果表明:SLM成形TC11钛合金沉积态的组织为针状马氏体,显微硬度为402 HV0.5,抗拉强度和断后伸长率分别为1557 MPa和2.5%,表现出高强度、低塑性的特点。经850 ℃/4 h和950 ℃/4 h退火后,组织分别为细密的α+β混合组织和α+β网篮组织,硬度和强度降低,断后伸长率升高;且断裂模式由沿晶断裂转变为韧性断裂,这与断后伸长率的变化规律一致。经950 ℃退火后,随退火时间缩短,α片层越细密,且晶界α相由连续分布转变为非连续分布,导致抗拉强度和断后伸长率同时增加。经950 ℃/1 h退火后,可获得强度和塑性匹配较佳的TC11钛合金,其抗拉强度和断后伸长率分别为1051 MPa和19.8%。

采用不同能量空间分布的激光对TC11钛合金进行了表面处理,通过X射线测试获得了试件经激光冲击后残余应力的分布规律。结果表明,在相同的工艺参数下,高斯分布激光处理的钛合金表面残余应力为-636.71 MPa,压应力影响层深度为1187 μm;平顶分布激光处理的分别为-559.20 MPa和811 μm。通过理论推算得到高斯分布激光产生的冲击波峰值压力是平顶分布的1.55倍。

采用浸泡和电化学腐蚀测试方法，研究了激光增材制造TC11 钛合金在盐酸溶液中的耐蚀性，利用扫描电镜分析了腐蚀前后合金表面的微观形貌。结果表明：激光增材制造TC11钛合金中α相所含Mo元素较少，易于发生选择性优先溶解；在盐酸溶液中，随浸泡时间的延长，开路电位先降低后逐步升高，电荷转移电阻Rct先急剧下降后逐渐保持稳定，自腐蚀电流密度icorr升高；激光增材制造TC11 钛合金α+β网篮组织较锻件双态组织细小，具有更好的耐蚀性；双重退火热处理后，α相含量增多并粗化，耐蚀性略有下降。

对TC11钛合金标准疲劳试件进行激光喷丸处理，利用高周振动疲劳试验验证强化效果，通过断口观察分析疲劳机理，再从微观组织、残余应力和显微硬度等方面分析激光喷丸提高TC11钛合金疲劳性能的强化机制。试验结果表明，强化后疲劳试件的疲劳极限由483 MPa提高到593 MPa；强化试件的裂纹源位于次表层深0.2 mm处，平坦区扩大，快速扩展区产生大量二次裂纹和排列紧密的疲劳条带。表层发生较高程度细化，形成尺寸为40~80 nm的纳米晶；并引入高数值残余压应力，表面残余应力达-591.5 MPa，其塑性变形层深度达1 mm，且表面硬度提高19%。TC11钛合金标准疲劳试件强化后疲劳强度提高主要是因为高程度组织细化和高数值残余压应力的综合作用，进而阻碍裂纹萌生和降低扩展速率。

采用金相观察、X射线衍射及布氏硬度、室温冲击等分析测试方法, 研究了激光立体成形工艺对飞行器结构材料TC11钛合金组织和力学性能的影响。结果发现, 采用不同激光功率制备试样微观组织均为网篮组织, 小功率试样微观组织编织更细密, α板条宽度更小。小功率试样比大功率试样高约15 HB, 二者均高于锻件标准(GJB2744A-2007)硬度范围。小功率试样冲击韧性基本达到锻件标准, 而大功率试样冲击韧性低于该锻件标准, 在冲击载荷下前者的失效方式为穿晶韧性断裂, 而后者的失效方式则由穿晶韧性断裂逐渐向α板条解理断裂过渡。

结合飞机起动机钛合金叶轮的修复需要，研究了Ti-6Al-3.5Mo-1.8Zr-0.23Si(TC11)钛合金激光熔化沉积修复工艺及界面的组织与力学性能。结果表明，激光熔化沉积TC11钛合金及界面重熔区具有典型的魏氏组织特征，基体热影响区组织逐渐由魏氏组织向双态组织过渡；激光熔化沉积TC11钛合金的抗拉强度高于界面过渡区及基体，而塑性稍低于基体。通过采用逐点熔化沉积的方法对叶轮受损叶片进行了修复，经加工检验后通过了超转试验考核，实现了装机应用。