与传统的水下焊接修复技术相比,激光熔化沉积技术具有精度高、周期短、可控性强等优势,可实现受损零部件的“增材成形”,兼顾复杂形状和高性能金属构件的快速原位修复,但水环境对光束传输、传质成形及冶金行为的影响,限制了水下激光熔化沉积技术的发展与应用。本文构建了水下局部干法丝式激光熔化沉积增材制造系统,针对TC4钛合金探索了激光、水、熔池之间的相互作用规律,研究了水下激光熔化沉积传质过渡行为及沉积层成形机制,探究了沉积层内晶粒组织的演变行为及其力学性能。在设计、开发双层气幕式水下激光增材排水焊炬的基础上,构建了水下局部干法丝式激光熔化沉积增材制造系统。通过观测局部干燥腔内水环境动态变化、熔滴过渡及熔池流动行为,揭示了水下激光熔化沉积过程中激光、水、熔池之间的相互作用规律,发现当增材焊炬保护气流量较小时,基体表层残余水及气溶胶粒子对激光束产生的吸收、散射和折射作用,是干扰激光光束传输、降低传质过程稳定性、减小有效激光功率密度并促进马氏体α′形成的主要原因。随着保护气流量增大,基体表层残余水消失,光束传输及传质过程稳定且沉积层成形均匀、无气孔及裂纹等缺陷产生,但部分气溶胶粒子的存在仍使得作用于熔池及基体表面的激光功率密度降低,加之水环境的冷却作用,沉积层内仍有大量马氏体α′产生。水下单层多道沉积层熔化沉积过程中,氢、氧元素可通过氧化层内部的裂纹源扩散进入沉积层内部,进而降低沉积金属的塑韧性;冷却过程中不均匀的冷却速率及马氏体相变使得沉积金属内部产生残余应力并在裂纹源处形成应力集中,造成裂纹源扩展进入沉积金属,形成宏观裂纹。通过增大增材焊炬保护气流量、提高熔化沉积过程的热输入,消除了沉积层表面氧化层,并降低了沉积金属内部马氏体含量,提高了沉积金属塑韧性,进而消除了沉积裂纹,获得了成形均匀,无裂纹、氧化层、飞溅等缺陷的单层多道沉积层。基于X射线原位观测系统,阐明了水下激光熔化沉积传质过渡行为及控形机制。研究表明水下激光熔化沉积过程中,其传质过渡模式主要包括滴状过渡、液桥过渡及铺展过渡三类,在液桥过渡模式下焊丝端部熔化金属传质连续、熔池流动稳定,无飞溅、粘丝等缺陷产生,沉积层成形均匀。针对多层单道沉积层,探究了增材路径、层间增量、层间冷却时间对传质模式及沉积成形的影响机制:多层单道沉积层增材过程中的传质模式本质上取决于焊丝端部与液态熔池的相对距离,当工艺参数及层间变量匹配合理时,光丝间距稳定,熔融金属可通过液桥向熔池持续过渡,沉积层成形精度较高。通过分析沉积层的沉积成形、晶粒特征、微观组织及力学性能,建立水下激光熔化沉积温度场有限元模型,阐明了水下激光增材多层单道沉积层的晶粒、组织转变机理。研究表明水下多层单道沉积层底部热量可通过基体向水环境散失,熔池温度梯度大、冷却速率高,促使晶粒外延生长,形成柱状β晶;沉积金属的Tβ冷却速率为320～606℃/s,较高的冷却速率抑制了扩散型相变,致使微观组织主要由针状马氏体α′构成。沉积过程中散热条件的改变及热量的逐层累积,使熔池峰值温度增大、温度梯度降低,晶粒生长模式由柱状晶模式转变为柱状晶与等轴晶混合模式,沉积层晶粒上部区域有部分等轴晶产生;冷却速率不断降低,致使微观组织沿增材正方向逐步过渡为片层状、板条状α,且α板条逐渐粗化。沉积层沿增材方向抗拉强度为830.4 MPa,延伸率为7.9%;沿沉积方向其力学性能与沉积层位置有关,其抗拉强度为1024.1 MPa,延伸率为5.0%。