研究基于经验工艺参数得到的激光立体成形TC21钛合金沉积态试样中原始β晶粒形貌及其织构特征，分析了激光立体成形工艺在高性能金属材料加工中的应用。结果表明：激光立体成形TC21钛合金宏观组织属于典型外延生长柱状β晶粒，纤维织构特征比较明显；在沿沉积高度方向上，α相尺寸、形貌、体积分数等有显著不均匀性存在，表明TC21钛合金中α相析出对成形过程热历史更敏感。在β相向α相转变时，有变体选择现象发生。在不加干预时，沉积试样位置不同，则热历史不同。因沉积试样底部温度较低，冷却速度较快，试样温度升高时，α′相分解为细小α+β相。

激光立体成形技术逐点逐层的成形方式, 特别适合构件化学成份及显微组织在空间呈现特定分布的梯度材料的成形。本文利用激光立体成形技术, 以不同质量分数配比TA15-xTi2AlNb(x=0%, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%)混合粉末为原材料, 制备了线性过渡型TA15-xTi2AlNb梯度材料, 研究了梯度材料随着Ti2AlNb含量的增加, 宏微观组织的演化规律及梯度区成份、显微硬度变化规律。研究发现Ti2AlNb的添加对梯度材料宏观晶粒形态影响显著: TA15钛合金部分为外延生长的粗大柱状晶; TA15-20%Ti2AlNb部分底部为外延生长的短柱状晶, 中部发生CET转变, 顶部为近等轴晶; 梯度材料其余部分均由等轴晶组织组成。显微组织方面, 在梯度区内, 随着Ti2AlNb含量的增加, 各成份段组织演化依次为: α+β网篮组织→α+β网篮+次生α′→短针状α+β→大块状α+β→细小α2+B2/β→O+α2+B2; 同时, 显微组织尺寸呈现出先增大后突然增大、又逐渐减小的趋势, 该规律与维氏硬度平均值变化规律相反。

为满足航空航天领域同一部件不同部位的性能适用其使用环境的特殊需求, 梯度结构材料逐渐引起国内外学者的广泛关注。采用激光立体成形技术制备TA15-Ti2AlNb梯度结构材料, 研究了TA15-Ti2AlNb双合金材料的微观组织演化和显微硬度。结果表明：随着Al、Nb含量的增大, 激光立体成形沉积态TA15-Ti2AlNb双合金从TA15合金侧到Ti2AlNb基合金侧相的转变依次为α和β相, α、α2和β/B2相, α2和β/B2相, α2、β/B2和O相及α2和B2+O相。且晶粒形貌从外延生长的柱状晶逐渐转变为各向同性生长的等轴晶, 发生显著的CET转变。沉积过程中热影响引起的元素扩散是导致最终稀释区元素分布的主要影响因素, 最终导致沉积试样的微观组织和相组成发生显著改变。

通过激光立体成形得到了Inconel 718合金沉积态和固溶态试样,研究了时效温度及时效时间对δ相尺寸、形貌和体积分数的影响。结果表明,沉积态试样δ时效处理时,δ相首先在枝晶间的Laves相周围以短针状的形态析出,不形成长针状的穿晶δ相;固溶态试样δ时效处理时,在890 ℃下长时间时效处理可形成穿晶的δ相,而950 ℃下时效处理时δ相只在晶界处以短棒状析出。固溶态试样δ相析出的孕育期延长,且时效结束后形成的δ相体积分数较小。沉积态和固溶态试样中δ相的析出表观激活能分别为1917 kJ·mol ^-1和1867 kJ·mol ^-1。

研究了热处理对激光立体成形DZ125高温合金凝固微观组织的影响。结果表明，随着固溶处理温度的升高，初生γ′相的溶解增多，在1240 ℃固溶2 h后初生γ′相全部固溶；Ni5Hf相和MC(1)碳化物在高温保温时发生固态相变，经1180 ℃/2 h/空冷(AC)热处理后Ni5Hf相全部分解，释放的Hf元素与基体固溶的C原子结合形成MC(2)碳化物，部分MC(1)碳化物在1000 ℃保温12 h后转变为M23C6或M6C型碳化物；完全固溶处理后在1100 ℃和870 ℃时效时，γ′颗粒尺寸的变化规律及经验分布函数与Lifshitz-Slyozov-Wagner(LSW)理论预测的较为一致。拟合得到γ′相的粗化激活能为231.43 kJ/mol，γ′颗粒的粗化受Ti、Al原子在Ni中的扩散控制。

为了实现块体和圆管的激光熔覆成形, 通过实验研究了扫描速度、激光功率和送粉速率对Ni25粉末单熔覆层的高度和宽度的影响规律, 建立了熔覆层高度和宽度分别与扫描速度、激光功率和送粉速率之间的对应关系。在此基础上, 根据对应关系, 选择优化的成形参数(扫描速度6 mm/s, 激光功率900 W, 送分速率0.1 rpm), 配合搭接率的计算(30%)和成形路径设计, 使用多层多道激光熔覆成形技术实现了块体和圆管的成形。使用扫描电子显微镜分析成形件的内部组织结构, 结果表明成形件内部组织致密, 成分均匀, 晶粒尺寸分布在18 μm左右范围内。

利用光内送粉技术对小间隙双层斜套的成形工艺进行了研究，采用依次独立堆积路径、法向分层、无错位堆积工艺方法成形了双层斜套。实验结果表明，该工艺可以提升激光成形双层斜套的效率，节约金属粉末，有效保证薄壁件的厚度均匀性和双层斜壁之间的间距稳定性。成形件表面形貌平整，显微组织致密均匀，无裂纹、气孔等缺陷，显微硬度分布均匀。

为了制备高性能、大尺寸钨合金零件, 利用激光立体成形技术进行了前期探究实验, 在大气环境下制备多种配比的W-Ni-Fe高比重合金力学拉伸试验件, 通过测试抗拉强度、硬度, 结合组织结构和成分配比的探究分析, 发现其成形性及力学性能与传统的粉末冶金烧结工艺之间还存在着一定的差距。抗拉强度在W原子数分数为0.6时达到最大值717.5MPa, 之后随着W原子数分数的增大反而明显减小, 当W原子数分数在0.8以上时, 强度已低于400MPa。样品存在孔洞和氧化现象, 大量W未溶化, Ni和Fe元素越多, 微观组织均匀性越好、成分偏析越小。结果表明, 利用激光立体成形技术可对钨基合金堆积成形, 但是实验工艺参量和实验环境仍需进一步改进。此研究可获得免受大气气氛影响和工艺参量限制的试样, 为获得性能更好的高比重钨合金激光立体成形件提供了帮助。

以TC4 钛合金激光立体成形件为研究对象，探讨其内部、表面及近表面孔洞类缺陷与超声波的相互作用关系。研究结果表明，在相同检测条件下，对于TC4钛合金激光立体成形件中同深度不同孔径的长横孔缺陷，超声反射波幅值随长横孔直径的增加而增加；对于成形件中同孔径不同深度的长横孔缺陷，超声反射波幅值随长横孔所在深度增加而减小；利用5PФ8 纵波直探头，能发现激光立体成形TC4 钛合金中0.6 mm 大小的孔洞类缺陷；超声表面波沿深度方向发现TC4钛合金激光立体成形件中槽型和孔型缺陷的能力均小于4 mm，且孔型缺陷比槽型缺陷更难发现。

通过改变试样在热处理过程中的升温速率，研究了升温速率对激光立体成形（LSF）GH4169合金再结晶过程的影响，分析了升温速率对再结晶形核位置、再结晶晶粒长大速率和再结晶晶粒分布的影响。结果表明要使得试样发生再结晶则升温速率必须高于某一临界值，升温速率过低造成的材料内部残余应力消失会阻碍再结晶的发生；随升温速率的增加，再结晶形核位置从道间搭接区域逐渐转变为道间搭接区域和道内同时形核，有利于道间搭接区和道内再结晶晶粒尺寸差异的消除；在实验参数范围内，晶粒细化的速率随着升温速率的提高而增大。