针对激光选区熔化(SLM)成形过程中易发生翘曲变形的问题,建立了一种“热源-局部-结构件”三级递进模型,采用生死单元法模拟了SLM成形中层层叠加的过程,并逐层施加固有应变,得到了宏观结构件SLM成形的变形趋势预测结果。将仿真结果与实际成形件进行对比,结果表明,固有应变有限元法能够有效预测SLM成形件的变形量。

对圆孔试样进行分区分析, 研究了激光功率、扫描线角度以及轮廓扫描次数对悬垂圆孔结构成形质量的影响。结果表明, 激光功率对圆孔成形质量的影响显著, 随着激光功率的增大, 圆孔圆度值增大, 尺寸精度降低, 同时悬垂面出现细而长的熔池, 部分熔池断裂球化成球状熔滴; 当扫描线方向平行于悬垂面边缘线时, 悬垂面质量较好, 但在成形圆孔顶部近水平悬垂面处出现严重塌陷; 在设置的扫描次数范围内, 增加轮廓扫描次数可降低悬垂曲面表面粗糙度, 优化表面质量。

熔池光强监测是激光选区熔化(SLM)过程监测的重要方法之一。针对SLM成形过程, 建立了一套熔池光强监测软硬件系统, 通过近红外滤光技术和光电二极管检测电路, 获得成形过程中的熔池光强数据。针对时域信号不能可视化激光作用不同成形位置时的熔池光强变化, 提出了采用映射算法对熔池光强数据进行建模。对变功率下熔池光强进行数据分析与建模, 激光功率120 W熔池温度均值为1 404 ℃时, 二极管信号均值为0.31 V, 标准差为0.04 V, 熔池较稳定; 功率增加到220 W熔池温度为1 727 ℃时, 二极管信号均值增加为0.81 V, 标准差增加为0.22 V, 熔池稳定性变差。表明该熔池光强监测系统可以获得工艺参数对熔池热辐射行为的影响规律, 用于支持SLM成形工艺的研发与优化。

研究了退火、两相区固溶、固溶时效三种热处理方法对激光选区熔化(SLM)技术成形TC4钛合金微观组织和力学性能的影响。结果表明, 在SLM成形TC4钛合金中形成了细针状马氏体组织, 几乎不存在β相, 强度较高, 塑性较差; 经过840 ℃/2 h/空冷(AC)退火处理后, TC4钛合金的显微组织由(α+β)相构成, 具有较高的强度和塑性; 经过940 ℃/1 h/水淬(WQ)固溶处理后, β相的含量增加, 晶粒长大, 形成交错的(α+β)网篮组织, 强度明显下降, 塑性提高; 经过940 ℃/1 h/WQ+540 ℃/4 h/AC固溶时效处理后, 形成了均匀弥散的(α+β)相, α相粗化, 强度降低, 塑性小幅提高。TC4钛合金经过热处理后, 内部残余应力减小, 变形开裂倾向降低。采用840 ℃/2 h/AC退火处理工艺, 可使SLM成形TC4钛合金获得较佳的强度/塑性匹配。

采用Z-型和岛式两种扫描策略，利用激光选区熔化（SLM）技术成形了具有不同悬垂角度的Ti6Al4V试件，研究了熔池行为与悬垂角度和成形质量之间的关系。结果表明，成形过程中，熔池面积先快速变大，达到峰值后，再随着成形高度的增加而缓慢减小。与面扫描相比，轮廓扫描时熔池明显不稳定，熔池面积振幅大。随着悬垂角度的减小，熔池面积变小，悬垂表面粗糙度变大。与Z-型扫描方式相比，岛式扫描策略下熔池面积较小，熔池更为不稳定，且悬垂表面粗糙度高。

采用激光选区熔化技术进行了Al2O3粉末和浆料的基础实验研究。实验结果表明，Al2O3粉末成形效果较差，而Al2O3浆料成形效果较好；激光功率对Al2O3浆料试样表面的质量具有重要影响，表面质量随激光功率的增加而不断提高。当激光功率为200 W，扫描速度为90 mm/s时，Al2O3试样维氏硬度均值约为14.7 GPa。

针对岛式扫描策略进行三维有限元仿真，并采用蛇形扫描方式进行对比。综合考虑热传导、热辐射和热对流效应，合金材料热物理性能参数与温度的非线性关系及相变潜热的影响，建立了三维瞬态金属选区激光熔化(SLM)有限元模型。分析结果表明，SLM 成形过程中，熔池呈水滴状，前端温度等值线比后端细密。与蛇形扫描方式相比，岛式扫描方式下岛屿边缘会出现温度二次升高现象，试件整体温度场分布均匀，有利于减小应力集中。温度场特点直接影响β相柱状晶的大小，岛式扫描方式更易形成较粗的β相柱状晶。分区扫描对岛屿边界影响较为明显，与岛屿内部相比，相邻的岛屿间搭接质量较差。

因残余应力导致的翘曲变形是激光选区熔化(SLM)技术亟待解决的关键性技术问题。以两组相同规格的长方体试样为研究对象，基于熔池监测系统采集SLM 成形过程中的熔池数据，对试样翘曲变形和无变形情况下的熔池状态差异进行了对比，从熔池角度分析了翘曲变形的产生机理和具体变形阶段，研究了翘曲变形情况下熔池的变化规律。试验结果表明，试样的翘曲变形产生于成形初始阶段。同时，翘曲变形情况下试样成形层的熔池面积减小，熔池光强增加，通过监测熔池的变化状态可以判断SLM 成形过程中试样是否产生了变形。