Ti-6Al-4V合金由于其优异的综合性能成为航空航天，汽车和生物医学行业中最常用的钛合金。传统钛合金制造技术存在生产周期长，材料利用率低，制造成本高，难以制造复杂形状零件等问题。激光沉积技术是一种将数字化模型逐层构建成实体零件的增材制造技术，已被用于生产净成形钛合金零件并降低制造成本和扩大合金的应用。目前传统激光沉积制造钛合金一般使用惰性气氛加工室，一定程度上降低了零件的加工效率，鉴于此本文提出基于随形保护罩的混合惰性气体保护的激光沉积制造方法，对Ti-6Al-4V展开实验研究，分析钛合金氧化行为，验证保护罩的保护效果。同时提出通过无量纲工艺图指导工艺参数选择，探索工艺参数对合金组织和力学性能的影响规律，发掘激光沉积制造高强度和高塑性零件的潜力。本文主要研究工作如下：

首先搭建了惰性气体保护罩装置，采用Fluent软件模拟了保护罩内氩气和氦气的流动对罩内氧含量影响，模拟结果说明混合惰性气体可迅速有效地降低罩内氧含量，静态下约11min氧含量降至125ppm，对应的理论氮含量降至500ppm。

其次基于热力学原理研究Ti-6Al-4V氧化膜的产生机理，分析合金中各元素反应的条件和顺序。基于氧化动力学研究影响钛合金氧化速度的主要因素。结果表明：熔池温度低于2500K时主要发生氧化反应生成TiO₂，氧化速度的控制因素是氧离子的扩散速度，氮化反应处于次要地位。激光沉积制造钛合金的化学分析结果显示平均增氧量为548ppm，平均增氮量为230ppm，符合理论计算预期。

然后通过量纲分析法推导得到无量纲等效能量密度E₀^*，进一步利用文献中获取的数据构建激光沉积工艺的无量纲工艺图，为比较各类型的增材制造方法、材料体系、工艺参数提供统一的框架，对参数的选取具有指导意义。对主要参数对成形的影响规律进行研究，结果表明：激光功率低于1000W时粉末易球化，恶化零件性能；搭接率在40%时具有较好的成形质量；送粉量为4.44/ming时具有较高的成形精度，最大粉末利用率为60%。

在无量纲工艺图窗口内进行正交试验设计，固定其他参数，对激光功率、扫描速率和扫描间距进行优化，并研究参数对零件组织和性能的影响规律。激光沉积制造钛合金零件的沉积态组织为贯穿多层外延生长的柱状晶，晶粒主轴垂直于基底，略向扫描速率方向偏移。随E₀^*增大，柱状晶宽度有增大趋势。柱状晶内部是针状αʹ马氏体和网篮状组织。显微硬度测试结果显示试样E₀^*=2.34时获得最大显微硬度为404.3HV。零件致密度呈现出随E₀^*增大而先增大后略减小趋势，E₀^*=3.64时获得最大致密度为99.62%。拉伸测试结果显示所有试样的抗拉强度均达到锻件水平，但延伸率区别较大。同时本文还实现了沉积态试样性能达到文献中材料热处理后的性能水平。E₀^*=3.74时获得最佳力学性能，显微硬度为391.7HV，屈服强度为890MPa，抗拉强度为963MPa，延伸率为13.4%。

综上，本文采用混合惰性气体保护方法进行激光沉积制造Ti-6Al-4V，成功制备出低氮氧含量的零件，具有直接制造零件和现场修复受损零件的潜力。通过无量纲工艺图和正交设计的对工艺参数进行优化，获得了性能可与锻件媲美的零件，对高强度高塑性零件的制造具有重要指导意义。