针对曲面激光增材制造钛/铝异质材料温度场和熔池形貌的调控难题，采用有限元模拟方法，对激光定向能量沉积（LDED）钛/铝异质材料起始及稳态沉积过程进行数值模拟，通过控制变量研究了激光功率、扫描速度对熔池形貌、宽深比及温度场的影响规律，并进行了实验验证。研究结果表明：LDED成形钛/铝异质材料的熔池热行为、形貌等随激光参数发生显著变化，当扫描速度为0.32 rad/s时，随着激光功率从1400 W增至2300 W，熔池最高温度从1525.5 ℃升至3289.8 ℃，熔池的体积从1.16 mm³增至7.73 mm³，熔池宽深比与激光体能量密度呈负相关。当激光功率为2000 W，扫描速度为0.32 rad/s时，Al-Ti异质材料层的熔池宽深比最大，为1.84，起始堆积Ti层的宽深比次之，为1.42，稳定堆积Ti层的宽深比最小，为1.22。实验得到的熔池宽度为0.61 mm，熔池形貌与有限元模拟熔池形貌吻合良好。

为了考察保护气氛中氧含量对焊接质量的影响，对304不锈钢板和镍板进行了激光焊接实验，研究了不同氧含量下的焊缝形貌、组织、成分、硬度分布以及拉伸性能。结果表明，随着保护气中氧气含量的增加，熔池熔深增大，宽度减小，几何不对称度增大，焊缝表面氧化程度加重。当保护气分别为纯氩气和21%(体积分数)氧气时，熔池底部均为柱状晶；当保护气为纯氩气时，熔池顶部为柱状晶和等轴晶的混合晶，加入21%氧气后，熔池顶部为等轴晶。加入21%氧气后，拉伸强度略有增加，焊缝元素的分布更均匀，晶粒度更小，因此显微硬度增大，且在熔池区域内的变化趋于平缓。活性元素氧改变了表面张力系数，引起了熔池内流动与传热模式的变化，并进一步引起接头形貌、组织与性能的变化。因此，可以通过调整保护气中的氧含量来调控焊接质量。

针对选区激光熔化(SLM)工艺参数的匹配性对成形质量的影响,选取三种激光功率在不同的扫描速度和扫描方式下进行实验,研究了激光功率对熔池形貌及残余应力的影响。结果表明:随着激光功率增大,熔池的几何尺寸和成形件中的残余应力均变大。这主要是因为在上述参数序列下,随着激光功率增大,热流密度增大,相同层厚与截面下的温度梯度增大,熔池温度升高,熔池尺寸变大,从而导致成形件熔融时的晶面夹角及晶界间距较大,进而产生了较大的热应力,成形件冷却凝固后的残余应力过大。在实际应用中,通过合理设计匹配的工艺参数,可以得到较适合的熔池几何尺寸(即较合理的温度梯度分布),从而减小热应力,进而减小残余应力,得到成形质量较高的SLM工件。

通过数值模拟与实验相结合的方法，研究超声场对激光熔凝过程中熔池温度场、流场以及熔池形貌的影响。建立描述超声振动辅助激光熔凝过程中的声场和温度场的三维数学模型，通过有限体积法实现激光熔池中声场和温度场的耦合模拟分析，系统分析激光熔池内声场、温度场、流场的变化规律。结果表明: 在超声场作用下的熔池温度略低于未施加超声场的熔池温度；流动速度增加72%，但并未改变未加超声时熔池内Marangoni流的环流趋势；在超声场作用下的熔池宽度增加0.5 mm、深度减小0.1 mm。通过激光熔凝实验验证数值模拟结果与实际情况基本吻合。

利用光纤激光器在不锈钢表面激光熔覆镍基合金,基于同轴送粉激光快速成型工艺建立了熔池温度场瞬态模型,对工艺参数对材料熔池形态和内部温度场的数值模拟结果表明,在所述的试验条件下,扫描速度和送粉率对熔覆层的形貌影响显著,建立的数值模拟结果与试验结果有较好的吻合,数值模拟模型可为熔覆工艺参数提供参考.

针对基体表面倾斜条件下的激光沉积特性展开研究, 通过表征倾斜基体表面上激光沉积过程熔池的形貌特征以及几何特性, 揭示基体表面倾斜特性对熔池的形貌特征、几何特性和表面粘粉的影响规律, 并探讨其影响机制。研究结果表明: 在倾斜基体上, 熔池受重力作用流动铺展, 当沿着倾斜基体上坡扫描时, 熔池气液界面向下凹陷, 并且熔池随倾斜角度的增加逐渐变长; 当沿着倾斜基体下坡扫描时, 熔池随倾斜角度的增加逐渐变短。由于激光能量在斜面上分布状态不同, 上坡时熔池后沿能量低, 粉末未能完全熔化, 导致沉积层表面有粘粉, 且随着角度的增大表面粘粉增多; 下坡时熔池后沿能量高, 表面粘粉较少甚至没有粘粉, 成形表面质量较好。

应用FLUENT软件建立BT20激光熔凝过程的数学模型, 考虑材料热物性能参数与温度的非线性关系以及边界条件, 分析表面张力温度系数和激光功率对激光熔池内的温度分布, 流动状态及熔池形貌的影响, 并与试验结果进行对比。结果表明, 表面张力温度系数影响熔池内熔化凝固的过程, 表面张力温度系数的增大使熔池变宽变窄。随着功率的增加, 熔池尺寸扩大, 工件温度提高, 熔池流体流动加速, 数值模拟结果与试验结果相吻合。