作为快速原型制造技术重要分支的直接金属激光烧结可在没有工装夹具或模具的条件下,利用激光束将疏松粉体材料逐层烧结成形复杂形状的三维零件。但目前直接金属激光烧结的研究仍处于起步阶段,对其中涉及的金属粉体材料制备与表征、工艺控制与优化、及烧结过程冶金物理化学理论等都有待深入探讨。本文选取铜基金属粉末作为直接激光烧结研究对象,主要研究内容和结构安排如下。论文第一部分,研究激光烧结多组分Cu基合金粉末（Cu-Cu10Sn-Cu8.4P）的关键工艺和基础理论,内容包括:（1）多组分铜基合金粉末设计、制备及材料成形性研究,获取了激光烧结用金属粉末的物性指标、制备技术和表征方法直接激光烧结因其特殊的成形方式（逐行烧结、逐层叠加）和成形过程（高能激光动态扫描下的瞬态冶金过程）,对材料成形性有特殊要求,即粉体化学成分和物理性质须适于逐层铺粉和激光逐层烧结的工艺。作者基于粉末在激光作用下部分熔化的液相烧结机制（Cu充当骨架金属,Cu-10Sn充当粘结金属,Cu-8.4P作为脱氧剂或稀释剂）,设计制备了多组分铜基金属粉末Cu-Cu10Sn-Cu8.4P,该粉末体系在液相成形机制下可有效抑制“球化”效应,降低由热应力导致的翘曲变形。铜基金属粉末的组分比例、颗粒形貌、粒度、松装密度等的优化设计结果表明,一方面,适当增加Cu-10Sn比例,可提高烧结致密度;但若超过50 wt.%,则会导致“球化”效应。Cu-8.4P比例以15 wt.%为宜,P元素可充当脱氧剂而防止烧结体系氧化,亦可充当稀释剂而降低熔体表面张力、改善固液润湿性,从而提高激光成形性。另一方面,粗（Cu平均粒径54μm）、细（Cu-10Sn平均粒径28μm）粉末共混形成“双峰”粉体,并使其具有较宽粒度分布（≥70μm）;使用球形或近球形细粉,均可提高粉体松装密度及烧结致密度。在粉末制备中,首次提出了“磨球混粉”工艺,并通过合理设置球料比（5:1）、转速（100 rpm）及混粉时间（90 min）,在不破坏原始粉末主要特性的前提下,实现了多元系粉体混粉均匀性,为提高烧结致密度和组织均匀性奠定了基础。（2）多组分铜基合金粉末激光烧结的工艺成形性研究,实现了高致密度复杂形状铜基金属样件激光烧结精密成形结合金属粉末激光烧结涉及的复杂物理冶金和化学冶金过程,作者从直接金属激光烧结基本成形机制和综合调控激光参数和铺粉参数入手,获得了金属激光烧结中抑制“球化”效应、改善成形精度和控制成形机制、提高烧结致密度的基本规律。提出了将不同激光功率和扫描速率下的粉体激光熔凝特征划分为微熔区、部分熔化区、持续熔化区、球化区、及完全熔化区这一新颖的工艺思路;且以部分熔化区为适宜工艺区间。在保证适宜成形机制条件下,通过合理设定光斑直径（0.3 mm）、适当增加激光功率（>300 W）、减小扫描速率（<0.06 m/s）、减小扫描间距（≤0.15 mm）、或降低铺粉厚度（≤0.30 mm）,能改善烧结致密度及组织均匀性。发现并总结了3类激光烧结“球化”机制:“第一线球化”、“收缩球化”和“自球化”;并可通过合理设定粉床预热温度及控制激光功率和扫描速率加以抑制。提出了利用“能量体密度”对激光成形性作精确化和稳定化调控,对于制备的多组分铜基金属粉末在能量体密度为0.23 kJ/mm3条件下,可实现最大外观尺寸210 mm×70 mm×9 mm,相对密度>90%,最大尺寸误差<2%、拉伸强度>140 MPa的复杂形状铜基金属样件的激光烧结成形。论文第二部分,研究激光烧结制备亚微米WC-Co颗粒增强Cu基块体复合材料的成形工艺、冶金机制及基础理论,内容包括:（1）激光烧结制备亚微米WC-10Co颗粒增强Cu基复合材料的材料设计与工艺研究,获取了高性能颗粒增强金属基复合材料激光快速成形的关键材料与工艺激光烧结具有工艺灵活性和取材广泛性,可用于新型材料及零件的制备与成形;同时,因激光作用的高度非平衡性,也有望使成形材料具有特殊的组织及性能。对于陶瓷颗粒增强金属基复合材料,可用包覆金属的金属陶瓷和基体金属制备成复合粉体,在激光烧结过程中易实现金属-金属界面结合。作者设计并制备了包覆Co的亚微米WC（增强体）和Cu（基体）的复合粉末,成功获得了激光烧结制备的WC-10Co颗粒增强Cu基复合材料块体试样。发现高能激光的快速作用机制致使WC颗粒完好保留亚微米尺寸特征,甚至部分细化至纳米级。同时,对工艺条件（激光参数和铺粉参数）作了优化,发现增加激光功率至700 W、在高于0.04 m/s条件下提高扫描速率、或减小铺粉厚度至0.30 mm以下,均能提高烧结致密度,改善增强体分散均匀性以及与基体结合性。在材料界面结构的研究中,发现将增强相WC通过WC-10Co复合粉体加入,可将WC/Cu（陶瓷/金属）界面转变为WC/Co/Cu（陶瓷/中间层金属/金属）界面,也即将粘结相Co作为基体金属Cu与增强相WC的“润湿媒介”,从而改善颗粒/基体界面结合性。同时,通过优化粉末体系中增强体含量,避免了在增强体含量较低时（≤20 wt.%）,因复合体系热膨胀系数较高、熔体过热倾向明显而出现的“球化”效应;或在增强体含量较高时（≥40 wt.%）,因液相生成量偏少、熔体粘度过高而导致的增强颗粒团聚现象。实验结果表明WC-10Co以30 wt.%为宜。（2）激光作用下增强颗粒与基体金属推挤/俘获机制的理论研究,提出了提高颗粒/界面俘获效应、改善颗粒分散均匀性及界面结合性的工艺和材料措施激光快速作用下颗粒与动态凝固界面的交互作用是影响颗粒增强金属基复合材料激光成形性能的又一关键因素。已有的关于颗粒/界面作用的研究,一般将固液界面简化为平界面,而将颗粒假设为置于平界面前沿的单个球形颗粒或少量规则分布的颗粒;此种假设对于复合体系激光成形过程难以成立。一方面,因基体与颗粒热导率和比热的差异,从本质上决定了复合体系的起始平界面存在局部不稳定性;另一方面,因激光束移动扫描,熔体流动具有紊乱性,故凝固过程难以通过平界面方式进行。作者通过引入枝晶形态的凝固界面,建立了用以描述激光快速凝固条件下增强颗粒与动态固液界面交互作用的理论模型;分析结果表明,颗粒俘获的主控因素是激光作用下的熔体临界过冷度。为提高颗粒俘获效应,特别是在增强体质量分数较高的条件下改善其分散均匀性,在工艺方面,可适当提高激光功率和扫描速率,以提高熔体过冷度;在材料方面,可在粉体中适量添加稀土元素来降低熔体表面张力,改善固液润湿性;钉扎晶界/相界,抑制晶粒/颗粒粗化;提高形核率,细化晶粒。实验研究结果表明,在高质量分数（50.0 wt.%）亚微米WC-10Co和Cu复合粉末中添加适量La₂O₃（1.0 wt.%）,可实现对增强颗粒的有效俘获,提高颗粒分散均匀性以及颗粒/基体界面结合性,并获取良好的成形致密度。