数字化制造将传统的制造过程转化为数字模型，实现对整个制造流程的智能控制，进而快速生产出满足要求的产品。金属3D打印是一个具有多物理场强耦合作用、过程强时变扰动、内禀关系非线性以及多变量与多目标等特点的复杂物理过程，实现金属3D打印全流程的数字化控制，有望解决当前3D打印零件质量一致性和性能稳定性低的瓶颈问题，推动高质量3D打印技术的发展。本文首先分析了金属3D打印的技术特征和数字化制造的基本内涵，随后从3D打印过程数据在线监测、数字化仿真、物理与信息系统交互3个方面综述了金属3D打印数字化制造的研究进展，最后讨论了数字化制造在金属3D打印领域的未来研究重点，展望了发展前景。

随着市场对Nd-Fe-B永磁材料需求的不断增加，昂贵的Nd、Pr、Dy和Tb等关键稀土元素的消耗也日益增加，而廉价的Ce、La和Y等高丰度稀土元素积压严重。开发不含关键稀土元素的全高丰度永磁材料有望填补永磁铁氧体和黏结Nd-Fe-B磁体之间的性能空白，不仅可以满足中低端市场领域对永磁材料的多样化需求，也利于实现稀土资源的平衡利用。然而，目前针对Ce、La、Y基稀土永磁的理解和认识还有待深入，所获得的高丰度稀土永磁的性能普遍较低，难以实际应用。本文基于国内外最新进展和作者团队的研究工作，总结了近期关于不含关键稀土Nd、Pr、Dy和Tb的(Ce, La, Y)-Fe-B永磁合金和磁体的研究现状。重点关注了纳米晶快淬三元合金的相结构和冶金行为以及多元合金的成分设计与元素交互作用，详细阐述了全高丰度稀土基致密化磁体的制备工艺、显微组织与磁性能之间的关系。最后对全高丰度稀土永磁的未来发展趋势进行了展望。

常化是高磁感取向硅钢生产中的重要环节，通常认为通过控制常化工序中900℃开始的缓冷阶段，可实现γ→α相变来促进抑制剂的弥散析出进而改善磁性能，而本工作在系统研究了高磁感取向硅钢常化工艺中的升温速率、固溶温度、相变等温温度与时间、相变后冷却速率等参数对常化组织和抑制剂的影响后，对此有不同的发现。常化前的初始组织由以珠光体为主的富C片层和片层之间大量分布的铁素体所组成，在常化的加热与固溶过程中，只有碳化物片层区发生奥氏体相变，且提高固溶温度、延长固溶时间可形成更多奥氏体，但在1120℃固溶3 min依然无法完全溶解碳化物且不同区域内所形成奥氏体C浓度不均匀，奥氏体水冷后转变为马氏体和残余奥氏体。组织观察、原位膨胀实验结果与热力学计算结果均表明，在1120℃固溶后冷却至900~950℃相变温度保温时继续发生奥氏体化，而非普遍认为的γ→α相变，因此此时并不能通过该相变促进抑制剂析出。取向硅钢中细小抑制剂有2种来源：一是在铁素体区域由于降温导致抑制剂形成元素的固溶度下降而析出；二是900℃以下空冷时发生珠光体相变时析出。另外，提高加热速率和固溶温度均可溶解更多已形成的抑制剂，从而可在冷却时再析出更多的细小抑制剂。常化后抑制剂的类型主要为AlN、AlN与MnS的复合析出物及TiN。

为探究近服役温度时效行为对ODS钢微观组织和力学性能的影响，通过SEM、TEM和拉伸性能测试等方法，研究了9Cr ODS钢在700℃时效不同时间后的碳化物(M₂₃C₆)、纳米氧化物演变和力学性能变化。结果表明：在时效初期(≤ 200 h)，M₂₃C₆在晶界处呈条带状快速析出并聚集长大，纳米氧化物无明显变化；在时效中期(200和1000 h)，M₂₃C₆和纳米氧化物稳定长大；在时效后期(2000和3000 h)，M₂₃C₆达到亚微米级，纳米氧化物的平均尺寸和数密度趋于稳定，与初始态相比，其平均尺寸的增长率为19.7%，数密度的下降率为27.1%。因纳米氧化物对不断增殖位错的钉扎，在部分晶粒内出现了位错胞和回复亚晶。9Cr ODS钢的拉伸强度在时效初期快速下降。在时效中后期，虽然纳米氧化物平均尺寸增加、数密度降低，但其钉扎作用仍然显著，以及基体中不断增殖的位错使得材料的拉伸强度维持稳定，延伸率在时效1000和2000 h期间处于低谷。

300M钢因其具有超高强度和优异塑韧性，常作为起落架的首选材料。但其在“高温、高湿、高盐”的海洋服役环境下易发生腐蚀疲劳失效，而表面强化可以有效提高其抗腐蚀疲劳性能。本工作采用超音速微粒轰击(SFPB)技术对300M超高强度钢进行表面纳米化处理，系统研究了SFPB对300M钢在3.5%NaCl溶液中的腐蚀疲劳行为的影响规律，并对300M钢腐蚀疲劳后的表面形貌、微观组织演变和残余应力松弛进行表征。结果表明，300M钢经SFPB后表层晶粒细化至纳米级，形成梯度纳米结构的同时还存在着高幅值残余压应力。在相同的加载应力水平下，SFPB有效提高了300M钢的腐蚀疲劳寿命。腐蚀疲劳后300M钢表层晶粒尺寸仍处于纳米量级，加载应力水平的增加使次表层位错密度显著增加的同时形变孪晶数量增多。在腐蚀疲劳过程中，300M钢表层由于SFPB诱导产生的残余压应力发生不同程度的松弛现象，残余应力松弛程度随着加载应力水平的增加而明显增加。

针对液态Pb-Bi共晶(LBE)冷却快堆开发了一种新型高硅12Cr铁素体/马氏体钢，为进一步增强其耐Pb-Bi腐蚀性能，提升燃料组件的安全性，采用预氧化法对其进行了表面防护处理，表征了预氧化膜的结构，分析了预氧化处理对12Cr铁素体/马氏体钢耐550℃饱和氧LBE的腐蚀性能的影响。结果表明，该钢在720℃、1%O₂ + 99%N₂气氛中预氧化1 h时形成的氧化膜主要是(Fe, Cr)₂O₃和MnCr₂O₄氧化物，此氧化膜可有效阻止钢中Fe元素的向外扩散和LBE中O元素的向内扩散，进而提升了材料的耐LBE腐蚀性能。但由于Mn较高的扩散速率和在LBE中较高的溶解度，预氧化膜中的Mn元素会逐渐扩散和溶解至LBE，导致部分氧化膜失效并形成局部腐蚀区，当LBE腐蚀1000 h后，合金表面的局部腐蚀区可达60%。本工作揭示了新型高硅12Cr铁素体/马氏体钢中预氧化膜的微观结构、保护效果和失效机制，为进一步提升其预氧化膜的有效性和稳定性指明了方向。

为了探究V和B元素复合添加对β型γ-TiAl合金的显微组织和变形机制产生的影响，本工作针对Ti-44Al-5Nb-1Mo合金和Ti-44Al-5Nb-1Mo-2V-0.2B合金，进行了不同温度和应变速率条件下的高温热压缩实验，利用SEM-BSE和TEM对组织进行表征，对比分析了其变形后的显微组织，研究了添加V和B对Ti-44Al-5Nb-1Mo合金的显微组织及热变形机制的影响。结果表明，2种TiAl合金的显微组织差异较大，添加V和B可以显著改变TiAl合金对热变形的敏感性。Ti-44Al-5Nb-1Mo-2V-0.2B合金高温变形能力明显优于Ti-44Al-5Nb-1Mo合金。Ti-44Al-5Nb-1Mo合金的高温热变形以难变形片层团的偏转、变形带的产生为主，温度为1250℃时，其变形组织表现出较高的温度和应变速率敏感性，极易形成尺寸不均匀的近片层组织；对于Ti-44Al-5Nb-1Mo-2V-0.2B合金而言，升高变形温度或降低应变速率，既可以促进片层团内部的变形诱导L(α/γ)→α + γ + β/B2和γ→α相变，又可以促进α和β/B2相的球化/动态再结晶，从而大幅提高该合金的组织均匀性。基于变形参数对组织的影响规律，确定了控制Ti-44Al-5Nb-1Mo和Ti-44Al-5Nb-1Mo-2V-0.2B合金中近全片层、近双态显微组织的方法。

随着航空航天领域对大型轻量化构件的需求日益增加，研发新型Al-Li合金制备技术能够提升制造效率，减轻构件重量。本工作采用一种Al-Cu合金丝材与Al-Li二元合金粉末同步输送的电弧增材制造方法，成功制备了Al-Cu-Li合金试样。利用OM、SEM、XRD、TEM和Vickers硬度仪对试样的晶粒形貌、物相组成进行表征并测量硬度。结果表明，电弧增材制造Al-Cu-Li合金沉积态试样由10~20 μm的细小等轴晶组成，且晶界处存在半连续网状共晶θ (Al₂Cu)相。增材制造热循环作用还会导致晶界附近析出T_B (Al₇Cu₄Li)相与T₁ (Al₂CuLi)相。T₁相主要分布于试样的中部及底部，且随着增材制造热循环次数的增加T₁相含量呈上升趋势，试样底部的T₁相含量最高。电弧增材制造Al-Cu-Li合金沉积态试样的最大硬度为126.7 HV_0.1，略高于其他电弧增材制造2219 Al-Cu合金，这主要得益于细小的等轴晶组织以及热循环的作用下所产生的T₁相。

为探究Fe对核燃料包壳锆合金抗高温蒸汽氧化性能的影响，利用配置蒸汽发生器的同步热分析仪模拟失水事故(LOCA)下的高温蒸汽氧化环境，对Zr-1Nb-xFe (x = 0、0.05、0.2、0.4，质量分数，%)合金进行了800~1200℃下恒温3600 s的高温蒸汽氧化行为研究。采用金相显微镜、Vickers硬度仪观察分析了氧化前后样品横截面的显微组织和硬度。结果表明，在800~1100℃蒸汽中氧化时，添加Fe使Zr-1Nb合金的抗高温蒸汽氧化性能变差，且影响复杂，不随Fe含量的增加呈单一变化规律；在1200℃蒸汽中氧化时，添加Fe对Zr-1Nb合金的抗高温蒸汽氧化性能影响甚微；随氧化温度升高，4种合金的氧化动力学规律发生变化，总体由抛物线→直线规律转变，还会发生多次转折，这与锆合金基体的α↔β和氧化膜的单斜(m)↔四方(t)相变过程密切相关。

GH4169D合金作为一种新型的高力学性能和高稳定性的镍基高温合金，在用于制造高性能复杂结构零件方面具有巨大应用价值，但该合金在电弧增材制造中表现出柱状晶粗大、力学性能各向异性等问题。本工作采用电弧微铸锻复合增材制造(hybrid arc and micro-rolling additive manufacturing，HARAM)技术成形GH4169D高温合金试块，并制定多种热处理制度对所成形的试块进行热处理。运用OM、SEM、EBSD、EDS、XRD、TEM等手段以及室温拉伸实验对合金的微观组织和力学性能进行观测和分析，并与常规电弧熔丝增材制造(wire and arc additive manufacturing，WAAM)方法成形的GH4169D合金进行对比。结果表明，HARAM技术中同步轧制的“微锻”作用能有效地使合金原本粗大的柱状晶发生“破碎”。与常规WAAM方法相比，采用HARAM技术所成形合金的室温抗拉强度提高(X向提高48 MPa，Z向提高90 MPa)，力学性能的各向异性得到有效抑制。均匀化+固溶+双时效热处理有效消除了HARAM技术成形合金中的Laves偏析相，并促进受“微锻”作用的合金组织发生再结晶，使晶粒比未热处理时更为细小均匀，合金的综合力学性能达到最优(抗拉强度和断后延伸率X向为1366 MPa和25.0%，Z向为1354 MPa和24.6%)。

自福岛核事故发生以来，事故容错燃料包壳涂层受到了广泛关注。本工作通过微弧氧化(MAO)和高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS) 2种技术在Zirlo锆合金基体上制备了MAO/Cr复合涂层，研究了微弧氧化时间对MAO/Cr复合涂层微观结构、力学性能以及抗高温水蒸气氧化性能的影响。结果表明：当微弧氧化时间由3 min增加到9 min时，复合涂层表面(200)织构系数由83%增加到100%；随着微弧氧化时间的增加，复合涂层的断裂韧性呈先增大后减小的趋势，在6 min时达到峰值4.64 MPa·m^1/2；经900℃水蒸气氧化1 h后，复合涂层体系均产生明显分层，其中MAO3min/Cr与MAO6min/Cr复合涂层增重幅度较小，而MAO9min/Cr复合涂层增重幅度较大，并在表截面形成大量微裂纹。当微弧氧化时间为6 min时，制备的复合涂层具有出色的力学性能和优异的抗高温水蒸气氧化性能。

为理解锆合金在核反应堆中的辐照损伤及蠕变的微观电子机制，本工作利用分子动力学方法对α-Zr纳米晶在高温、辐照等不同条件下的拉伸蠕变过程进行了模拟。结果表明：温度、应力、辐照和晶粒尺寸会影响纳米晶α-Zr的蠕变行为，升高温度、增大应力和细化晶粒均会促进蠕变过程的进行。蠕变后体系的微观组织发生显著变化，部分晶粒随蠕变的变形过程而长大，另一些晶粒则逐渐缩小甚至消失。变形过程中晶格畸变逐渐向晶粒内部传递，使体系内原有的有序hcp结构受到影响而有序度降低。模拟结果分析发现，晶界迁移是纳米晶α-Zr在稳态蠕变过程中的主要变形机制，升高温度和增大应力水平会使晶界宽化，并促进组织演变。模拟不同能量粒子辐照后，体系中产生大量点缺陷，其扩散对蠕变有一定贡献，且这些缺陷最终汇集于晶界处，可提高晶界可动性。增大辐照能量可加大产生辐照缺陷的数量和尺寸，对蠕变过程起到更大的促进作用。