钛合金由于具有熔点高、密度低、比强度高、耐腐蚀性能好等特点而广泛应用于航空航天领域。本文采用激光多层沉积技术制备Ti-6Al-4V三维结构，采用光学显微镜，扫描电镜，显微硬度计系统研究了多层沉积三维结构横断面和不同沉积层截面的微观组织特征及硬度分布规律。首先针对合金沉积层的凝固组织展开研究，通过分析激光多层沉积快速凝固及反复加热下Ti-6Al-4V合金的成形规律、缺陷分布、晶粒生长取向等，并结合多元合金快速加热/快速凝固理论阐明组织演化机制，结果表明，激光多层沉积Ti-6Al-4V合金的凝固组织由外延生长的粗大柱状晶组成，仅在沉积试样的最顶部，形成一层薄薄的细小等轴晶。其次研究了β晶内α相的形成和分布。结果表明，原始β晶内的微观组织主要由大量的α束域、初生魏氏α板条以及板条间β相组成。在组织研究的基础上，对沉积层不同区域的硬度分布进行测试，为激光多层沉积Ti-6Al-4V合金的进一步深入研究及应用奠定科学基础。