增材制造技术的出现为结构轻量化及材料梯度复合化提供了新的设计思路,增加了设计空间,并且能够实现传统加工方法无法制造的复杂中空结构的一体成形。但目前增材制造技术还存在未解决的问题,如晶粒粗大、元素分布不均匀、粉末氧化及工艺控制困难等。本文针对上述问题,基于传统电子束熔丝沉积方法,提出预熔化式电子束增材制造方法,避免电子束在基体金属上直接形成熔池造成热输入过大及熔池搅动剧烈造成元素分布不均匀的问题,进而达到零件内部晶粒细化,提升力学性能的目的。本文首先对预熔化式电子束增材制造方法进行研究,分析了导流咀形状及材质对沉积体成形和组织的影响,进而确定了导流咀选用原则。借助数值模拟软件,分析了沉积参数,即导流咀开槽宽度、角度、高度、电子束功率和送丝速度对液态金属过渡及沉积体成形的影响。分析了多层预熔化式电子束增材制造沉积体组织及力学性能,并详细研究了热循环对沉积体内部组织及应力分布的影响机制。预熔化式电子束增材制造方法研究结果表明,直径1.0mm的TC4丝材临界熔滴半径为r=（3rwσwsinθ/2ρg）1/3,2200℃下TC4临界熔滴半径为2.3mm。液态金属温度较低时,采用石墨导流咀沉积时沉积体内部无与碳相关的物相,而液态金属温度较高时会使石墨导流咀发生分解,碳元素会进入沉积体内部形成碳化物。但液态金属温度较高时,采用纯钨导流咀沉积时沉积体内部无与钨相关的物相。因此石墨导流咀适用于熔点较低的金属沉积,而纯钨导流咀适用于熔点较高的金属沉积。导流咀开槽宽度为4mm、角度为30°及高度为0.1mm时,沉积体成形较好。沉积过程中液桥一旦产生便不会消失,在后续的沉积过程中会有源源不断的液态金属补充,用以维持液桥的存在,直至沉积结束。导流咀开槽宽度增加会削弱导流咀的引流和缓冲作用;导流咀角度和高度增加会增加熔滴过渡时的冲击力,并且导流咀高度增加还会降低沉积过程中导流咀开槽部位的液态金属与已过渡至基体的液态金属之间的连续性,降低了沉积过程的稳定性。预熔化式电子束增材制造过程中,送丝速度对沉积层宽度和高度的影响程度小于电子束功率对沉积层宽度和高度的影响程度。提升电子束功率不仅会增大高温液态金属的区域,而且会降低沉积层高度,增加沉积层宽度,提升沉积过程工艺难度。沉积过程中无飞溅和粘丝现象,避免了传统电子束熔丝沉积工艺控制困难问题。利用纯钨导流咀对TC4多层沉积体进行研究,预熔化式电子束增材制造沉积体高度高于传统电子熔丝沉积体高度,前者沉积体层间界面为“拱桥”形,而后者沉积体的层间界面呈“下凹”形。“拱桥”形层间界面的形成机理为:熔融的液态金属经导流咀的引流作用过渡至基体金属后基体金属并不熔化,液态金属只是在基体上表面润湿铺展。在500～1670℃区间内,预熔化式电子束增材制造每层的平均冷却速率均高于传统电子束熔丝沉积每层的平均冷却速率。前者第2层和第5层之间冷却速度差异为80℃/s,而后者的冷却速度差异为39℃/s。预熔化式电子束增材制造沉积体内部α相宽度最大数量区间为传统电子束熔丝沉积体的1/4～1/5,沉积体内部无明显元素偏聚现象,避免了传统电子束熔丝沉积方法晶粒粗大及元素分布不均匀问题。五层TC4沉积过程中,预熔化式电子束增材制造方法不会使其他层内α相转变为β相,而传统电子束熔丝沉积方法会熔化相邻层,使得之前所有沉积层发生一次或多次α相向β相转变。传统电子束熔丝沉积方法制备的TC4沉积体抗拉强度为784 MPa,断裂应变为0.22。预熔化式电子束增材制造方法制备的TC4沉积体抗拉强度为840 MPa,断裂应变为0.34。预熔化式电子束增材制造沉积体拉伸试样断裂路径与层间界面交叉,表明层间结合性能优异。预熔化式电子束增材制造沉积体侧面残余应力几乎均在570～700MPa之间,基板最大变形量为2.61mm。第一层沉积层上表面纵向中间位置应力值随着多次沉积过程产生周期性变化,最大应力值变化范围小于50MPa,冷却至室温后稳定于500 MPa。沉积体变形量在整个沉积过程中几乎不存在降低的过程,每层沉积过程均会增加第一层沉积层末端变形量,但变形的增量逐渐降低。沉积体上表面纵向高度变化范围为0.2 mm,对后续沉积过程影响小。