摘要
在金属增材制造过程中存在着如加工过程中存在缺陷等一些问题导致生产零件质量不能完全控制，同时由于实际加工过程中的数据采集较为困难，使得其在工程应用上很难得到进一步发展。因此本文提出构建应用于增材制造的数字孪生基础模型，通过建立不同尺度的模型实现预测工艺参数对实际加工过程的影响。 （1）针对激光粉末床熔融不同尺度的物理现象，分别使用有限元和计算流体力学方法建立了激光粉末床熔融的数字孪生基础模型。利用有限元模型计算了监测点的温度与应力值，同时提出了一种宏观尺度的等效热源替换模型。 （2）以 316L 金属粉末为研究对象，利用基础模型进行了单道熔池、多道熔池以及多层熔池的温度场及流场研究，分析了不同成形参数下成形熔道特征、成形熔池变化情况以及缺陷形成过程。结果表明降低扫描速度可以有效增加单熔道宽度和高度和均匀性；熔池形成过程中受反冲压力产生明显凹陷，其凹陷的深度与粉末的分布相关；多道成形过程中，交接区在扫描间距减小的过程中高度更加均匀，第一条熔道的熔池的存在时间更长，第二条熔道成形方向发生倾斜；多层成形时降低扫描速度会使熔道层间结合质量上升，但过高和过低的扫描速度容易引起缺陷。 （3）对于混合粉末加工过程中的成形过程及元素分布，对模型优化后以316L 与 CuSn20 混合粉末为材料，分别分析扫描速度、粉末粒径等参数对于增材制造过程中形貌尺寸、元素分布的影响。结果表明单道扫描时，扫描速度较低时路径外侧存在铜锡合金粉末烧结球化；熔池前端铜锡合金熔化后被周围凝固的316L材料包围凝固并呈现圆弧状；扫描速度的降低会使得铜锡元素对应方向的含量先增大后减小。对于多层成形情况，扫描速度的减小会使铜、锡元素在Z轴深度上扩散。对不同粒径下的成型样品进行研究，发现减小316L粉末粒径有助于增加熔道的高度、减小其平均宽度、增加其稳定性；小颗粒的铜锡合金粉末也能增加熔道的稳定性、减小熔池的尺寸；当316L采用大粒径，熔道顶部的铜锡元素含量降低，熔道主体和底部中其分布范围不变，整体更集中；当316L 采用小粒径，降低铜锡合金粉末粒径，成形时分布在三个区域的元素均匀分散同样，呈现连续的特征。 （4）选取仿生原型后通过模型优化了异质仿生增材制造，并对制备样件力学性能、摩擦性能等进行分析。以鳞角腹足蜗牛的壳体微观层结构设计仿生层状结构，结合前文试验验证的数字孪生介观模型的316L单材料、混合材料模拟结果制备了316L/铜锡异质仿生增材制造样件并进行了表征。结果表明制备样件具有良好的力学性能，在复杂苛刻的摩擦条件中，铜锡合金/316L交界层具有良好的摩擦性能且能润滑磨痕位置，因此整体异质仿生样件具有良好的摩擦特性。
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