激光增材制造技术能够快速转化设计思想,是材料加工技术领域的革命性发展和重要组成部分。其加工过程容易形成非均匀分布的粗大晶体组织,在疲劳载荷下易出现裂纹源且不能有效抑制裂纹的扩展。晶粒尺寸作为影响材料疲劳、蠕变和屈服强度的重要工程参数,是一种重要的结构力学性能评价手段。随着超声无损检测新技术的发展,利用超声波对材料晶粒尺寸进行评估成为了有效方法,因其声波传播特性融合了传播路径上材料晶粒尺寸的整体效应,使超声检测法更加准确可行。本文基于非均匀多晶材料界面处的超声传播特性,探究激光增材制件材料的超声透射谱特征参量受晶粒尺寸变化的影响规律,为利用超声法对材料的力学性能和晶粒尺寸进行量化表征和测量评估奠定理论基础。主要研究内容包括:(1)探究声波在材料性能不连续的多层介质中的传播特性,利用传递矩阵法对各向同性板结构异质界面处的超声透射系数谱进行数值计算,获得板结构声透射特征参量的理论解。建立不同厚度尺寸下的板结构水浸超声透射测量仿真模型,通过有限元分析获取板结构的超声透射信号。针对透射系数谱求解过程存在能量衰减问题,引入参考信号进行补偿,并对仿真结果和理论结果进行对比分析,验证有限元法求解超声透射系数的可行性和准确性。(2)利用Voronoi图形构建不同平均晶粒尺寸等轴晶结构的超声透射系数测量仿真模型,对透射系数进行数值仿真。获取多晶体结构的多组超声透射信号,对多组透射信号数据进行数值分析和处理。对不同平均晶粒尺寸下的透射系数谱峰值及谐振频率和晶粒尺寸的关系进行线性拟合,探究多晶结构的晶粒细化对材料力学性能的影响规律。(3)根据现有激光增材制件微观组织的研究基础,建立不同平均晶粒尺寸柱状晶的多晶材料梯度仿真模型,得到非均匀多晶材料晶粒尺寸与透射信号谱峰值和峰值谐振频率值对应关系。对比柱状晶材料和等轴晶材料两种晶体结构的透射特征参量与晶粒尺寸的拟合结果,探究多晶体结构的晶粒尺寸变化对材料力学性能的影响。研究成果为利用超声透射系数表征材料的力学性能奠定了理论基础。