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高强铝合金因具有高强度、低密度、优异的延展性和抗腐蚀性，成为了航空航天和汽车应用零件最常用的金属材料之一。电弧增材制造技术具有快速原位成形制造复杂结构零部件的能力，非常适用于中型或大型高强铝合金铝部件的制造。本文综合分析了高强铝合金电弧增材制造工艺和设备研发现状、高强铝合金电弧增材的固有属性和缺陷以及主要的性能优化手段，讨论了组织和性能的固有特征和复合增材制造技术对组织和性能的影响。针对电弧增材制造高强铝合金不可忽略的本质冶金缺陷、特征性能需求和多种优化工艺的优劣等问题，提出了电弧增材制造高强铝合金综合评价体系、成分设计和丝材开发、专用热处理制度和复合增材制造技术的协同性等发展方向，以期为电弧增材制造高强铝合金的性能提升和应用推广提供重要参考。
激光增材制造可以实现高性能复杂金属构件的一体化直接成形，但该过程中存在的非均匀温度梯度分布、微熔池的近快速凝固、原位热处理效应以及非平衡固态相变、微观结构的不均匀性等会产生复杂的残余应力，严重影响成形构件质量和综合性能。因此，本文围绕激光增材制造残余应力，首先介绍了残余应力的基本定义、分类及产生原因；然后针对激光增材制造过程中残余应力的特殊性、形成机理、表征方法及调控方法的研究现状进行了系统的综述，介绍了残余应力的表征方法及其特点，并说明了各方法的适用性及优缺点，总结了调控残余应力的方法可分为后处理调控和原位处理调控；最后，展望了研究激光增材制造残余应力的产生原因和演化机制应考虑几类应力的叠加效应。残余应力的表征应采用多种方法结合，相互辅助验证。为避免成形过程中应力集中影响成形质量以及避免后处理对构件精度产生影响，应重点研究原位调控残余应力的方法。
难熔高熵合金具有优异的高温力学性能，但高温抗氧化能力一直是其应用的限制因素之一。利用激光增材制造技术设计并制备AlNbTaTiZr，AlMoNbTiZr，AlMoNbTaTiZr和AlMo0.5NbTa0.5TiZr四种难熔高熵合金，测试其在900 ℃和1000 ℃两种温度下的氧化增重情况并研究不同试样的氧化层结构，对比分析Mo，Ta两种元素对AlNbTiZr基难熔高熵合金高温抗氧化性能的影响。结果表明：激光增材制造制备的四种高熵合金沉积态均为BCC＋HCP双相结构，枝晶干以高熔点BCC相为主，少量富含Al，Zr元素的HCP相分布在枝晶间；四种高熵合金在900 ℃与1000 ℃长时间氧化时AlNbTaTiZr表现出最佳的抗氧化性，以Ta替代Mo在一定程度上提升了难熔高熵合金的抗氧化性能。
由于7075铝合金主要组成元素的沸点较低、熔体的表面张力梯度较大，加之定向能量沉积（DED）工艺中常用的圆形高斯分布（CG）激光束斑能量分布的不均匀性，导致7075铝合金DED试样的成形质量普遍不佳，这极大限制了7075铝合金DED的进一步应用。通过激光光场模式调控，可以有效改变熔池的温度场、流场及其相应的凝固条件，从而提升激光增材制造试件的成形质量和微观组织的主动控制能力。采用离轴抛物积分镜将CG光场模式匀化为圆形平顶分布（CF）光场模式，并进一步将CF光场模式倾斜以获得横向椭圆平顶分布（TE）光场模式。利用这三种不同的光场模式激光分别制备了7075铝合金DED的单道熔覆、单壁墙及块体试样。结合数值模拟，揭示光场模式对成形质量及凝固组织的影响规律及其内在机理。模拟结果显示，将激光束斑从传统的CG光场模式调制为CF与TE光场模式后，激光在熔覆层表面的热通量均匀性得到显著改善，进而减小了熔体温度梯度，提高了凝固速率。与CG光场模式相比，成形质量方面，CF与TE光场模式下单壁墙和块体试样的表面成形质量得到显著提升，其中单壁墙的宽度变化大幅降低，块体试样水平方向的尺寸精度提高，此外块体试样的致密度分别从95.8%提升至97.2%与97.7%；凝固组织方面，织构得到显著弱化，并且晶粒尺寸减小约50%，同时晶粒内纳米析出相η相的数量也有所增加。
电弧增材制造是一种以金属丝材为填充材料，以电弧作为热源的新型制造技术，易于制造大型复杂零件。通过往复单向路径实验，发现单向路径制造的斜壁有更好的形貌，飞溅少且表面光滑，并在有限元软件中建立了往复、单向制造路径仿真模型并求解，仿真得到单向路径沉积温度267.4 ℃，沉积热应力357.4 MPa，往复路径沉积温度307.0 ℃，沉积热应力420.4 MPa，发现单向路径的热积累和热应力更低；以单向制造路径，采用电弧增材制造技术制备AM11，AM12，AM21三种不同斜率的斜壁样件，研究其组织和力学性能。结果表明：AM11，AM12，AM21的晶粒尺寸分别为35，39，42 μm；AM21薄壁晶粒中析出相β-Mg17Al12比另外两种样品多且分布均匀、拉伸断口的韧窝更大且更多；AM21与AM11显微硬度在81.5HV左右，均高于AM12的73.1HV；且AM21的斜壁样件的水平、竖直方向抗拉强度为255.7，224.4 MPa，屈服强度为103.8，96.0 MPa，伸长率达到13.1%，8.2%，抗拉强度与伸长率均大于AM11和AM12，但屈服强度接近。AM21斜率薄壁具有更好的强度和塑性，验证了镁合金电弧增材制造的斜壁越接近垂直，其强度、塑性等力学性能越好。
光固化3D打印技术的出现为制备复杂结构SiC陶瓷零部件提供了新的技术方案，但SiC高吸光、高折射率的特性导致其出现打印难固化的共性问题。通过在SiC陶瓷基体粉末中加入低吸光度、低折射率的SiO2作为填料以改善SiC陶瓷浆料的固化性能和打印精度。研究了不同SiO2添加量对浆料流变性、稳定性和固化性的影响及其作用机理，利用光固化3D打印技术制备出了高精度、表面质量好的素坯，对素坯的微观结构和性能进行了测试分析。结果表明：在SiC浆料中添加SiO2能降低浆料的黏度、改善浆料的稳定性、提高浆料的固化性能；SiO2的添加显著改善了SiC素坯的表面粗糙度，使素坯的抗弯强度先增大后减小。
为提升激光熔覆质量，建立以激光功率、扫描速度及送粉量为主要工艺参数的有限元分析过程，减少熔覆工艺参数优化的研发周期和经济成本。通过温度场和应力场模拟GX4CrNi13-4马氏体不锈钢激光熔覆数据对照实验结果的方法，验证不同参数下的成形质量，优化激光熔覆工艺参数。结果表明：为避免基体熔穿和高质量致密度，激光功率的调整范围应控制在1800~2000 W之间；增加送粉量可以有效降低温度和残余应力。3个工艺参数中激光功率是主要调控参数，对熔覆质量影响最大。综合致密度分析和显微硬度测试评估不同参数下样品的熔覆质量和残余应力分布，发现最佳工艺参数组合为激光功率1800 W、扫描速度10 mm/s以及送粉量10 g/min。实验结果与应力场模拟的趋势一致，进一步验证模拟数据的准确性。
聚合物固态电解质因安全性高、柔性大、种类丰富、价格低等优势，为高能量密度锂金属电池产业化奠定基础。但受界面等问题的限制，目前聚合物固态电解质的电化学性能仍然较差。近几年，原位技术在电解质的研发领域受到越来越高的关注。以原位聚合和原位表征为代表的原位技术极大促进了聚合物固态电解质的发展。原位聚合通过优化电极、电解质界面提升电池电化学性能，原位表征可在无破坏的前提下探究电池内部的电化学机制。本文综述了聚合物固态电解质与原位技术的发展背景，重点讨论了近几年原位聚合在不同种类聚合物固态电解质中的应用进展以及原位表征在原位制备聚合物电解质中的应用，并指出原位技术在聚合物固态电解质的制备和表征方面极具应用前景，同时针对原位聚合存在聚合程度难以控制、基质结构缺乏设计等问题提出了专注于机理研究、开发新的引发条件及反应体系等解决建议。
WC-Co硬质合金因其优异的性能而应用在各个领域。但因硬质合金中的Co黏结相的相缺陷限制了其使用，例如低硬度、低耐磨性、高温稳定性差等。由此对于Co相强化的研究从未间断，本文旨在系统地整合各种Co相强化研究工作，总结Co相通过传统的物理冶金强化（第二相强化、相界强化和固溶强化）和颗粒增强后的微观组织特征及力学性能，对比Co相采用不同增强方式后的硬质合金硬度和断裂韧度所能达到的范围，建立成分-微观组织-性能之间的联系，归纳各种强化方式所带来的优势和缺陷。为强化Co相的研究和工业生产提供参考依据，选择合适成分配比和后处理工艺，设计性能指标和使用寿命符合工况需要的硬质合金。
残余应力贯穿于材料及构件的设计、生产、加工、制造、服役和失效的全生命周期，是影响材料及构件加工精度、尺寸稳定性及疲劳强度的关键因素，如何准确无损表征残余应力具有重要意义。与传统实验室X射线衍射方法相比，同步辐射X射线衍射技术在亮度、准直、时间分辨率、空间分辨率、穿透深度等方面具有显著优势，是一种无损原位精确表征工程材料和关键构件残余应力有效的方法之一。本文围绕同步辐射X射线衍射技术在材料残余应力中的研究进展，重点阐述增材制造过程中高温合金的残余应力分析、激光喷丸技术对钛合金残余应力的影响、焊接铝合金残余应力评价、热处理参数对结构钢残余应力的影响以及陶瓷涂层的残余应力研究。最后，分析同步辐射X射线衍射技术在工业应用方面的不足，并展望未来的研究及发展方向，包括发展原位测试环境及装置、同步辐射X射线衍射技术与其他无损检测方法相结合等。
传统的热轧法生产Al-Mg-Si合金板材存在工序多、时间长和成本高等缺点，严重制约了Al-Mg-Si合金的发展，因此，近年来采用双辊铸轧工艺生产Al-Mg-Si合金板材获得了极大的关注。本工作采用双辊铸轧工艺制备Al-Mg-Si铝合金铸轧板坯，探究板坯不同位置的微观组织差异及其对板坯性能的影响，结果表明：板坯边部和心部的晶粒形貌差异明显，织构组成复杂，大量第二相沿晶界处不均匀分布，板坯内部存在明显的元素偏析。通过理论计算，铸轧板坯边部的织构强化贡献强度为10.7 MPa，晶界强化贡献强度为86.8 MPa，而铸轧板坯心部的织构强化贡献强度为15.1 MPa，晶界强化贡献强度为82.4 MPa，板织构和随机织构对于铸轧板坯的强度贡献有限，边部和心部的强度差异主要取决于晶界强化。板坯边部和心部存在不同程度的位错缠结，边部的位错密度高于心部，这与小角度晶界统计结果相一致。针对板坯组织不均匀性的特点，通过热力学计算，为板坯后续热处理制度提供了理论指导。
针对燃气涡轮叶片超温运行可能引发的合金劣化问题，对燃气涡轮叶片用IC10合金超温（1070~1250 ℃）、拉/压应力（30~90 MPa）条件下的微观组演化进行系统分析。结果表明：无应力超温热暴露过程中IC10合金中二次γ′相的退化方式主要包括球化、粗化和回溶，随着热暴露温度的升高及热暴露时间的延长，在γ/γ′相界面能降低的驱动下，二次γ'相形状由花状向圆方状及球状演变。二次γ'相的面积分数随温度的升高及时间的延长逐渐降低。在高于1225 ℃下热暴露时间超过50 h后，二次γ'相完全回溶。随着温度的升高和时间的延长，二次γ'相尺寸逐渐增加，γ'相粗化符合由元素扩散控制的Lifshitz-Slozov-Wagner理论。在超温有应力热暴露过程中，随着温度的增加，γ'相筏化现象逐渐加剧。拉应力促进γ'相沿垂直于应力轴的方向出现N型筏化，压应力则促进γ'相沿平行于应力轴的方向出现P型筏化。相对于压应力，拉应力状态下γ'相筏化进程更加迅速。根据超温及应力条件下IC10合金的组织演化图谱可对服役后叶片的服役工况进行反向判定。
为提高涡轮叶片榫头的疲劳性能，研究了喷丸对DD412单晶合金表面完整性和高温疲劳性能的影响规律。采用白光干涉仪、粗糙度仪、显微硬度计、扫描电镜、透射电镜等分别对喷丸前后的表面形貌、粗糙度、硬度梯度、微观组织进行表征，并采用旋弯疲劳试验机测试高温疲劳寿命和极限。结果表明： 喷丸后，表面磨削刀痕被消除，显著降低表面微观应力集中系数；试样表层组织发生剧烈塑性变形，并形成深度约0.10~0.32 mm的硬化层。相比未喷丸试样，优化工艺喷丸试样在600 ℃/500 MPa条件下的旋弯中值疲劳寿命提高21.7倍以上，在600 ℃下的中值疲劳极限提高了17.3%。经分析认为，喷丸对表面完整性的优化是DD412合金高温疲劳性能提升的主要原因。
有限元模拟是研究热障涂层（thermal barrier coatings， TBCs）界面处热生长氧化层（thermally grown oxides，TGO）应力演变的有效手段之一，可为探索TBCs失效机制提供理论支撑。采用先进的热障涂层多因素耦合设备对热障涂层圆管试样模拟发动机工况进行热力耦合循环实验和热循环实验。利用有限元软件ABAQUS对包含真实初始TGO形貌的热障涂层进行有限元建模，分析实验过程中TGO的应力和变形规律。结果表明：在不考虑TGO及界面开裂的情况下，无论是热力耦合模型还是热循环模型，随着循环次数的增加，Mises应力均增加；加热过程中TGO受拉，冷却过程中TGO受压；加热过程的应力均远小于冷却至室温时的应力。经过相同的循环次数，热力耦合模型中的应力值均高于热循环模型中的应力值。经过20，45，70次热循环后，冷却至室温时，TGO应力分别达到2.85，3.65，3.55 GPa，而经过相同次数的热力耦合循环后，冷却至室温时，相同位置的TGO应力分别达到4.01，5.0，4.81 GPa。与热循环相比，在热力耦合条件下，经过相同循环次数冷却至室温时的TGO应力显著增加。
采用超音速火焰喷涂（HVAF）技术制备1.36%高孔隙率（high porosity，HP）和0.86%低孔隙率（low porosity，LP）两种铝基非晶合金涂层，研究孔隙率对铝基非晶合金涂层腐蚀行为的影响。通过扫描电子显微镜（SEM），X射线衍射仪（XRD）并结合3D高分辨X射线衍射形貌（3D XRT）分析涂层孔隙率以及微观组织结构，利用电化学测试系统和接触角测量仪研究涂层的腐蚀行为，采用X射线光电子谱（XPS）分析两种涂层钝化膜成分。结果表明：LP涂层的自腐蚀电流密度（I corr）为3.0×10－6 A/cm2，点蚀电位（E pit）为-0.40 V，而HP涂层的I corr为6.0×10－6 A/cm2，E pit为-0.47 V，LP涂层具有更好的耐局部点蚀能力；LP涂层的电荷转移电阻（R ct）约为HP涂层的2倍；LP涂层具有更大的接触角，疏水性更好；LP涂层形成的钝化膜中RE2O3的含量大于HP涂层，进一步说明LP涂层具有更优异的耐蚀性。
除了铸轧速度和熔体浇铸温度外，铸轧区内的熔体压力也是影响水平双辊铸轧Ti/Al复合板工艺稳定性和界面结合强度的重要因素。本工作在铸轧复合过程中通过调节前箱内熔体的液面高度，获得了在不同铸轧区熔体压力下制备的Ti/Al复合板。通过金相、扫描电镜、显微硬度、室温拉伸实验、T型剥离实验等手段对复合板的显微组织和界面结合性能进行表征和测试。结果表明，当熔体压力较高时，可以生产出充盈饱满、板型良好、结合强度高的复合板，但熔体压力过高会影响铸轧复合过程的稳定性。当熔体压力过低时，熔体的横向流动能力减弱，铸轧区内不能完全被熔体填充满，板材出现热带、褶皱等缺陷，同时，在Ti/Al上出现了部分微孔和微裂缝。在较高熔体压力下，固/液接触距离更长，带材表面与熔体的润湿更加充分，熔体分布更加均匀，固/液扩散更加充分。因此，当熔体压力较高时，复合板具有更高的结合强度，界面结合强度达到20.1 N/mm。
为进一步提升复杂薄壁ZL114A铸件性能，对真空差压铸造过程施加机械振动，系统研究振幅和频率对Al-Si共晶组织及铸件拉伸性能的影响。结果表明，机械振动可以强化熔体局域对流，折断先凝固枝晶，并造成硅相碎断形成短棒状、颗粒状组织。同时，可以促进凝固前沿溶质均匀分布，抑制硅相过度生长，诱发初生相周围Al-Si共晶网状转变。振幅和频率对合金强度和塑性的影响呈对立关系，高频低幅下近振源侧样品获得最高抗拉强度达335.6 MPa，但合金伸长率下降至1.54%。然而，由于振动能在熔体传播存在能量耗散，远振源侧样品强度仅327.06 MPa，伸长率为1.67%。此外，性能衰减拟合分析显示，增加频率有利于抑制振动能的损失，改善远侧熔体机械振动处理效果。
利用电子背散射衍射、五参数分析、重叠极图迹线分析和近重位点阵分析等方法研究不同热处理状态WC/Co硬质合金中的WC/WC晶界与WC/Co相界等界面特征分布。结果表明：经高温烧结后油淬的样品，生成了比例为4.5%的WC/WC Σ2晶界，具有｛10 0｝/｛10 0｝界面匹配特征的Σ2晶界的比例约为2.6%；该样品中的Co主要为面心立方结构，具有｛10 0｝WC/｛001｝Co，｛10 0｝WC /｛110｝Co和｛11 0｝WC /｛110｝Co等界面匹配特征的界面是WC/Co相界的主要部分。经800 ℃回火后气氛保护随炉缓冷的样品，其WC/WC Σ2晶界比例及特征与油淬样品十分接近；该样品中的Co主要为六方结构，具有｛10 0｝WC/｛10 0｝Co和｛11 0｝WC /｛11 0｝Co等界面匹配特征的界面是WC/Co相界的主要部分。
CuAlMn形状记忆合金具有优良的耐热稳定性和高阻尼特性，在多种领域有着明确的目标需求，然而，晶粒粗大易导致沿晶断裂，严重弱化了合金的力学性能。为改善合金力学性能，引入了稀土Y元素，采用电弧熔炼吸铸炉制备了Cu-11.36Al-5Mn-xY（x=0~3，质量分数/%， 下同）系列铸态合金，又经固溶时效对合金微观组织进行了调控和均质化。采用DSC、XRD、金相和SEM对合金的相变、物相、微观组织结构进行了表征。通过显微硬度计和万能材料试验机测试了合金的硬度和力学性能。结果表明，Y元素添加可有效细化CuAlMn合金晶粒，晶粒尺寸从数百微米下降至10 μm左右，同时伴随着大量网格状含Y析出相沿晶析出，冷却过程中晶粒形核区的增多和生长受到抑制是晶粒细化的主要因素。合金硬度随Y元素添加量的增大而升高，这与合金中大量含Y硬脆相的析出有关，Y含量越高，析出相体积分数越高，此外，固溶时效态样品硬度高于铸态样品，源于固溶时效态样品析出相在整个基体内的分布和更高的析出相体积分数。合金的压缩强度和拉伸断裂强度在Y元素含量为0.1%~0.4%时得到明显提升，其强化机制可通过细晶强化、沉淀强化和固溶强化来理解。合金压缩断裂应变在Y元素含量为0.4%时达到最大，断后伸长率在Y元素含量为0.1%时达到最大，其变化趋势与晶粒细化和沉淀析出相的耦合效应有关。
过渡金属磷化物作为新兴的超级电容器材料受到越来越多的关注。以碳布（carbon cloth，CC）为基底，先以氯化镍、硝酸钴为原料通过水热法获得镍钴硫化物，再以次亚磷酸钠为原料，通过低温磷化法最终获得镍钴磷化物（Ni1/2Co1/2P/CC）。电化学测试结果表明：在电流密度2 mA/cm2下，Ni1/2Co1/2P/CC的比电容高达0.87 F/cm2，在30 A/cm2下充放电2000次后，电容保持率为80.22%。此外，以Ni1/2Co1/2P/CC为正极，活性炭（activated carbon，AC）为负极组装的非对称超级电容器（Ni1/2Co1/2P/CC∥AC/NF）在104.99 mW/cm3的功率密度下，能量密度高达0.25 mWh/cm3。
