激光选区熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)作为最具潜力的增材制造方法之一,拥有广阔的应用前景。Inconel 718合金在高温条件下具有良好的组织稳定性和综合力学性能,被广泛应用于航空航天、石油化工和医用材料等领域。目前,在对激光选区熔化过程的研究中,没有合适的仪器能够捕捉在激光与粉末相互作用区内发生的复杂物理、化学以及冶金现象。应用模拟仿真再现这一过程,实现工艺参数调整和优化对于增材制造领域的学术研究和行业应用具有重要的现实意义。本文以激光选区熔化成形Inconel 718镍基高温合金熔池内的微观现象为研究对象,应用有限元模拟软件COMSOL Multiphysics中的传热模块和层流模块,建立三维瞬态有限元模型,研究激光选区熔化过程中工艺参数对熔池温度场、流场、熔池尺寸和形貌产生的影响,并通过激光选区熔化实验验证模拟结果。在三维模型建立的过程中,综合考虑了激光与多孔粉床之间的相互作用、粉末材料物相转变产生的热物理性能变化、熔池表面张力梯度引起的Marangoni效应、粉末材料在激光能量作用下产生的熔化、蒸发和凝固等现象。研究结果表明:随着激光连续扫描以及热量的连续输入,熔池内部温度逐步升高,当熔池内温度高于沸点时,蒸发热流驱动熔融液体向激光前进的斜上方流动并在熔池前端形成涡流,此时流速最大的熔体位于熔池中心,之后部分热量随蒸发热流向周围散失,熔池的峰值温度发生小幅度下降。随着熔池内温度降低,蒸发量随即减小,熔体流速的减小降低了熔池的散热,熔池内的热量再次增加,温度再次升高。当温度冷却到熔点与沸点之间时,Marangoni对流效应将取代蒸发,在发生熔体流动的熔池尾部过渡区域中占主导地位。通过上述过程的循环往复和粉末床内热量的累积,最终导致熔池的峰值温度呈波动上升趋势,并于第三道扫描轨迹后趋于稳定。在熔池形成的过程中,增加激光功率(由150W增至230W)或降低扫描速度(由1600mm/s降至800mm/s)均可增加单位时间内的能量密度输入、提高熔池温度,进而增大蒸发量和Marangoni对流,进而加快熔池内的熔体流动,最终提升熔池内传热和传质效率。过高的激光功率(高于210W)或过低的扫描速度(低于1000mm/s)会使熔池内的温度过高,产生过热、沸腾和蒸发现象,在蒸发热流的作用下,熔池内涡流增大,熔融金属产生飞溅和剥蚀等缺陷,恶化成形件的表面质量。当激光搭接率为20%时,成形件的冶金结合良好,成形质量较高;激光搭接率过高(高于40%)会使熔池内形成塌陷、孔隙和表面轨迹的尖角;激光搭接率过低(低于20%)会使扫描轨迹间有明显的沟壑。在激光功率、扫描速度以及搭接率等成形参数不变的情况下,随着粉末层厚度的增加(从20μm增至60μm),熔池深度增加较快,熔池深宽比提高;当粉层厚度过高时(高于50μm),熔池深度不足以使粉层与基板间形成良好的冶金结合。通过对比模拟研究和实验研究的试样熔池尺寸、形貌可知,虽然实际加工试样由于表面张力效应导致熔池表面为曲面形态,但实验结果与模拟结果具有较高的吻合度,模拟结果能够大致呈现出熔池的尺寸形貌随着工艺参数变化的趋势。上述激光选区熔化成形Inconel 718合金过程中熔池内传热和传质等微观现象的研究,为深入理解激光选区熔化过程发生的现象、控制这一制造过程以及探索激光选区熔化成形Inconel 718合金材料工艺参数奠定了基础。