摘要
316L不锈钢因其优异的综合性能而深受高性能复杂零部件的青睐。激光增材制造技术制备效率高、灵活性强、能制备较好的组织，可用来制造复杂 316L 不锈钢零部件。然而，激光增材制造沉积过程伴随着极端复杂的物理、化学和力学行为，成形质量受各种工艺参数影响，其中，激光束空域形态直接影响熔池的热输运行为，进而影响沉积件的组织及性能。这意味着明晰激光束空域形态对增材制造沉积过程中的热输运行为和凝固组织的影响机制是对沉积件进行性能调控的理论基础与前提。为此，本文以 316L 不锈钢为对象，研究了激光束空域形态对同轴送粉增材制造热输运与凝固组织的影响。 首先，利用光束质量诊断平台采集同轴送粉增材制造实验中聚焦激光束的空间功率密度分布数据，基于超高斯模型，通过拟合方法辨识出激光束空域形态特征参数，重建超高斯光束形态模型，依据等效激光功率密度，建立高斯和椭圆高斯形态模型；开展同轴送粉增材制造的送粉工况测定实验，获取必要送粉工况参数，建立同轴粉束流模型。 其次，创建了同轴送粉激光增材制造三维热输运模型，仿真分析了高斯形态(GP)、超高斯形态(SGP)、纵向椭圆高斯形态(LEGP)和横向椭圆高斯形态(TEGP)四种典型激光束空域形态对熔池的形貌特征、热输运特征和液态金属流动特征的影响。结果表明：激光束横截面的形态决定了熔池的形貌，LEGP光束作用下的熔池最平缓，而 TEGP光束作用下的熔池最陡峭。SGP、TEGP、GP、LEGP 光束作用下熔池中的最高温度依次增大。GP 和SGP光束作用下的液相区域温度分布差异显著，但固相区的温度分布近似一致，相比之下，LEGP 光束下的温度最大，而 TEGP 的最小。四种光束形态下的熔池均表现为由内向外的环形流动模式，熔池的峰值流速发生在靠近熔池边缘的附近。LEGP、GP、TEGP、SGP光束作用下熔池中的峰值流速依次减小，流体流动均由 Marangoni 剪切应力主导，传热均由Marangoni对流传热和热传导共同主导。 最后，建立凝固界面的凝固模型，分析了四种激光束空域形态对凝固界面的凝固特征参数的影响，并预测了四种激光束空域形态作用下的凝固组织。结果表明：四种激光束空域形态作用下的空域形态特征参数高度依赖于熔池的深度，其中温度梯度和形态因子随着熔池的深度增加而增大，凝固速率和冷却速率随着熔池深度的增加而减小。GP、SGP和 TEGP三种光束形态作用下的凝固速率依次减小。在熔池深度小于 0.2 mm 范围内， GP、SGP和 TEGP三种光束下的冷却速率依次增大，熔池深度大于 0.2 mm时依次减小，LEGP 光束作用下的冷却速率最小。本研究工艺条件下，四种激光束空域形态下的晶粒形态以柱状晶为主。GP、SGP和 TEGP三种光束作用下熔池后部的枝晶臂间距依次增大，熔池底部的依次减小。
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