激光增材制造技术,又称“3D打印”,是目前最具潜力的先进制造技术之一,因其独特的“分层制造,逐层叠加”的加工方式,尤其适用于复杂结构零件的直接成形与再制造,在航空航天、船舶、生物医疗等领域具有广泛应用前景。然而,由于激光增材制造涉及的物理过程复杂、影响因素众多,要制造出高精度、组织及性能优异的成形件仍存在极大的挑战。目前,尚存在成形缺陷多、凝固组织可控性差等问题,而这些问题均与熔池表面及内部的动态特征密切相关。针对上述问题,本文以Inconel 718镍基高温合金为研究对象,通过分析与简化激光增材制造过程中光粉耦合、传热传质等过程,建立和完善三维瞬态激光增材制造数值模型,探究不同工艺参数对气液界面、温度参数及凝固特征参数(温度梯度G、凝固速率R、冷却速率G×R)的影响规律及机理,指导工艺优化,为零件制造提供依据和理论基础。具体研究内容及结果如下:(1)分析了气液界面受力情况,研究了各力对气液界面影响程度,并建立了自由表面能控制平衡方程。结果表明:平衡状态下,表面张力是形成气液界面形貌的主要作用力;模拟了气液界面演化过程,模拟的熔覆层表面形貌及尺寸参数与实验结果相吻合,验证了本文数值模型及控制方程的准确性。(2)研究了激光功率、扫描速度及送粉速率对熔池气液界面的影响,分析了影响熔池形貌的主要因素,并优化了工艺窗口。结果表明:激光功率是影响熔池宽度和熔池深度的主要因素;扫描速度主要影响熔池高度;最优工艺窗口为激光功率 600W-900W,扫描速度 6mm/s-16mm/s。(3)分析了熔池凝固界面不同位置温度参数及凝固特征参数变化规律,并对凝固组织特征进行了预测。结果表明:熔池凝固界面由顶部至底部温度梯度G逐渐增大,凝固生长速率R逐渐减小,冷却速率G×R逐渐减小,形态参数G/R先缓慢增大,接近底部时迅速增大;进而预测沉积层组织分布不均匀,即顶部组织较细小,而底部组织较粗大。(4)研究了工艺参数对熔池温度参数及凝固特征参数的影响,并预测了不同工艺参数对凝固组织的影响规律。结果表明:随着激光功率增大,凝固特征点温度梯度G减小,而凝固速率R不变,冷却速率G×R减小,会发生晶粒粗化;随着扫描速度的增大,凝固特征点温度梯度G、凝固速率R及冷却速率G×R增大,有利于晶粒的细化;凝固特征点温度梯度G受激光功率影响较大,受扫描速率影响较小,凝固速率R及冷却速率G×R受扫描速度影响较大,受激光功率影响较小,送粉速率对凝固特征参数几乎不产生影响;凝固组织枝晶生长方向受扫描速度影响较大,几乎不受激光功率和送粉速率的影响。