激光增材制造技术因具有柔性高、周期短、成形不受材料及形状限制等特点,极适合复杂整体金属结构零件的成形,在航空航天、航海、核电及生物医疗等领域具有广阔的应用前景。然而,由于激光增材制造物理过程复杂及影响因素众多,目前该技术涉及的复杂热物耦合现象及熔池非平衡凝固机理尚不明确。这极大限制了该技术的发展及应用。针对上述问题,本文以激光增材制造镍基高温合金为对象,采用数值模拟、理论解析与实验相结合的研究方法,开展熔池凝固行为及枝晶生长机理的研究。主要的研究内容及结果如下:(1)基于传热传质理论和金兹堡-朗道理论,利用宏观瞬态的三维传热传质模型耦合薄界面分析的定量相场法,建立了适用于激光增材制造凝固组织模拟的多尺度模型。该模型考虑了激光-粉末-基材的相互作用和对流、辐射、潜热、蒸发等作用及粉末输送、熔池内熔体流动等物理过程。通过实验验证了熔池凝固界面、纵截面形貌及一次枝晶臂间距与冷却速率的标度律,证明了该数学模型的准确性及可靠性。(2)采用移动网格和基于MPI的并行Fortran程序设计实现多尺度数学模型数值计算,开展了熔池凝固行为和枝晶生长行为的研究。重点研究了熔池局部热行为对一次枝晶臂间距∧、枝晶尖端半径ρ及尖端过冷ΔT的影响规律。结果表明,沿固/液界面从熔池顶部至底部,温度梯度增加,凝固速率减小,冷却速率单调递减;一次枝晶臂间距与冷却速率呈∧∝R-1.31的幂指数关系,非常接近实验的∧∝R-1.34;枝晶尖端半径与冷却速率呈ρ ∝R-1.07的幂指数关系;而枝晶尖端过冷逐步减小。通过比较数值模拟与实验结果,结合凝固理论模型分析,发现在熔池顶部,一次枝晶臂间距倾向于Hunt模型的预测;在熔池底部,倾向于Kurz-Fisher模型的预测。一次枝晶臂间距∧与凝固参数组合G-0.5VS-0.25在小范围内呈迂回关系。在∧～G-0.5VS-0.25图谱中,定向能量沉积工艺在选区激光熔化工艺的右上方。(3)动态再现了激光增材制造Inconel 718凝固过程中及完全凝固后的Nb元素分布,主要研究了凝固参数(温度梯度、凝固速率与冷却速率)对Nb元素空间分布的影响。结果表明,枝晶内的Nb元素浓度与温度梯度、凝固速率、冷却速率呈正相关;枝晶尖端Nb元素浓度与凝固速率、冷却速率呈反相关,与温度梯度呈正相关;但凝固参数对液相中Nb元素分布影响较小。沿固/液界面从熔池顶部至底部,随着冷却速率的减小,枝晶内的Nb元素浓度逐渐减小,枝晶尖端Nb元素浓度逐渐增加。采用数值模拟和实验表征等方法研究了熔池局部冷却速率与Nb元素偏析的关系。结果表明,Nb呈液滴状富集于枝晶间;从熔池底部至顶部,枝晶间的Nb元素浓度逐渐减小。因此,在激光增材制造镍基合金中,提高冷却速率,有助于降低Nb元素的偏析,减小脆性Laves相的体积分数甚至抑制其形成。(4)通过改进多尺度数学模型,研究了倾斜枝晶生长及竞争行为。系统分析了温度梯度、凝固速率、冷却速率、取向角对倾斜枝晶的一次枝晶臂间距、枝晶尖端半径、尖端过冷、倾斜角的影响。探究了海藻晶的形成条件,并对双头晶、多头晶及“zigzag”织构组织进行了实验验证。结果表明,一次枝晶臂间距与温度梯度、凝固速率呈反相关,与凝固条件组合G-0.5VS-0.25、取向角呈正相关;其与冷却速率呈幂指数关系,且指数与取向角呈b ∝c-0.5300线性关系。枝晶尖端半径与凝固速率呈反相关,与G-0.5VS-0.25正相关。在低凝固速率时其与取向角呈反相关,高凝固速率时呈正相关;尖端半径与冷却速率也呈幂指数关系,且指数与取向角呈b ∝0.4000线性关系。枝晶尖端过冷与凝固速率、冷却速率、取向角呈正相关,与G-0.5VS-0.25呈反相关;倾斜角与凝固速率、冷却速率呈反相关,与G-0.5VS-0.25正相关,与取向角呈线性关系。此外,冷却速率与一次枝晶臂间距和倾斜角呈反相关;枝晶尖端半径与尖端过冷也呈反相关;实验和模拟结果证实大取向角时,容易形成双头晶甚至多头晶。取向角为45°时,在高的凝固速率下易形成海藻晶;在高G/VS或取向角超过45°时,枝晶反向生长。综上所述,本文建立了激光增材制造凝固组织模拟的多尺度模型,系统、深入地研究了熔池凝固行为和显微组织演变,揭示了枝晶生长与溶质元素偏析机理。本文为深入理解金属激光增材制造凝固组织演变提供了理论基础,也为凝固组织调控提供了新的思路。