伴随着海洋资源的开发,海洋工程得到了迅速发展。TC4钛合金由于具备比强度大、抗腐蚀能力强及焊接性良好等优点,在大型船舶,海底空间站和核电站的关键零部件等水下结构件得到了广泛的应用。与陆上相比,恶劣的水下环境使得水下结构件更易失效,而当其失效时,需要一种效率高、精度高和经济性好的水下原位修复技术以满足实际水下修复需求。而水下激光熔丝增材制造技术具备以上特点,因此本文研究了水下激光熔丝增材成形、组织及性能,为该技术在实际工程修复的应用提供理论和技术的支撑。基于X射线高速成像系统,探索了水下激光熔丝增材制造过程中的传质特征,以分析其对增材过程稳定性及增材金属成形的影响机制。研究结果表明水下激光熔丝增材传质过程存在三种形式:液滴过渡、表面张力过渡和铺展过渡,其中在铺展过渡形式下,传质过程连续、稳定,熔滴对熔池几乎无冲击作用,沉积层成形良好。研究了气流量对传质过程的影响,结果表明随着气流量的增加,传质过程中铺展过渡的占比提高,沉积过程稳定性提升。在铺展过渡形式下,研究了工艺参数对沉积层成形尺寸的影响,建立了水下激光增材工艺参数与沉积单元特征尺寸的回归模型,为水下激光薄壁件熔丝增材奠定了基础。单道多层沉积层即薄壁体的成形优化结果表明,薄壁体相邻两层的宽度及高度存在差异,通过减小激光功率或者沉积速度可降低差异性,优化成形。薄壁体的组织及性能研究结果表明,由于散热速率及经历热循环次数的不同,壁体上部及下部的微观组织以针状马氏体α′为主而中部完全为α相,且随着热输入的提高,马氏体α′的含量逐渐降低。薄壁体的力学性能存在各向异性,与纵向相比,横向的抗拉强度较高但延伸率较低,且随着热输入的提高,薄壁体的抗拉强度降低而延伸率提高。薄壁体的上、中和下三个区域的耐腐蚀性依次下降,且随着热输入的提高,壁体的耐腐蚀性下降。最后对多道多层沉积层成形进行了优化并研究了其组织及性能,研究结果表明,层间增量1.1 mm、激光功率2.75 k W且单向增材时,块体成形良好。块体下部及上部的微观组织以针状马氏体α′为主,而中部以α相为主。受搭接质量的影响,与横向相比,块体纵向及45°取向的抗拉强度及延伸率明显降低。此外块体从上到下柱状晶尺寸的减小增加了晶界数量,降低了耐腐蚀性。