电子束熔丝沉积(Electron Beam Solid Freeform Fabrication,EBF3)作为一种典型的增材制造技术以其高功率、小束斑的特点适用于活泼金属构件的快速成形制造。利用EBF3技术沉积TC4钛合金是实现其在工程应用领域高性能、高材料利用率的重要制造手段。在EBF3沉积成形TC4钛合金过程中,电子束的高能量密度造成了温度场的不均匀性和不稳定性,导致了应力场的动态循环,进而影响着沉积构件的成形质量。基于以上原因,本文在热力-耦合模拟的基础上进一步进行了EBF3沉积钛合金的工艺实验研究,分析EBF3沉积TC4钛合金的宏微观组织特征。本文采用ANSYS软件的“生死单元”法对EBF3实验中电子束的单道多层扫描过程进行了仿真分析。在EBF3成形TC4钛合金的温度场研究中,分析了沿成形高度方向和电子束扫描方向上温度场随时间的分布情况以及工艺参数对EBF3沉积构件温度场的影响。研究表明,沉积层各点依次经历着趋势相同的热循环过程。各层的冷却速度由快变慢趋势基本相同,在沉积体中部位置热积累相对严重。沉积过程的热输入量与电子束流呈正相关,与送丝速度和扫描速度的改变呈负相关。在EBF3沉积TC4钛合金的应力场研究中,把温度场计算的结果作为结构载荷作用到单元节点上实现热-力耦合,分析了沉积过程中应力场的动态循环及影响因素。研究表明,电子束沉积位置呈现为压应力,而已成形位置表现为拉应力。其次,当电子束流增大时,周围金属对沉积层的收缩阻碍作用减弱,沉积结束后的应力值有所降低;而当提高扫描速度时残余应力有所增大。在EBF3成形TC4钛合金的实验研究中,分析了TC4钛合金直壁件宏观形貌和微观组织的变化规律。研究发现,直壁件的高度随扫描速度的加快而减小,随送丝速度的加快而增加,且尺寸较大的β柱状晶分布于数个沉积层。在显微组织上整体呈现出片层组织状态,底部组织较为粗大,顶部组织较为细小。在工艺参数改变时,α相的形貌、相含量和取向均有一定变化。在EBF3沉积TC4钛合金的实验研究中,分析了工艺参数的改变对直壁件显微硬度和缺陷的影响。研究表明,工艺参数改变时,显微硬度在21～48HRC范围内变动,且随着沉积高度的增加,显微硬度有所升高;在较快的扫描速度下,直壁件靠近基板的区域随机分布着气孔和未熔合的孔洞缺陷。