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激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形是一种精密的金属增材制造技术,其在个性化定制、高质量、复杂精密金属构件整体成形方面有着巨大的优势。同时SLM成形具有工艺参数多样化和制造过程复杂化的特点,导致成形零件易出现球化、孔隙和未熔合等缺陷。目前对SLM成形质量的检测多采用离线手段,其存在滞后性和不可提前干预的缺点。传统的视觉和热成像技术的检测精度又难以满足SLM的应用要求。因此本文基于高速摄影技术对SLM成形飞溅形成主导机制及其转变规律、熔池演变规律及其对熔道形貌的影响进行研究。主要研究内容及结果如下:(1)设计并搭建了基于高速摄影技术的SLM原位高速高分辨显微成像系统,系统的时间分辨率高达2.5μs,空间分辨率高达3.34μm,实现了SLM成形快速移动微小熔池及高速飞行微米级飞溅的高清晰度拍摄。(2)在较宽激光功率范围内研究了SLM激光与物质相互作用过程中的粉末熔化、汽化、熔池凹陷、熔体突起和金属液柱等物理现象。发现随着激光能量密度的提高,上述物理现象出现时刻均提前,出现所需的时间呈指数下降。激光功率(激光模式和光斑尺寸不变)决定了SLM成形过程中各个物理现象发生所需的热累积时间,而扫描速度决定了其对应的激光停留时间是否满足产生这些现象所需的热累积时间。(3)采用“飞溅数量增长速率的统计特性”和“典型飞溅出射轨迹的运动学分析”相结合的方法,率先研究并比较了单、双光束SLM条件下飞溅行为及其形成机制。单光束SLM成形中,飞溅形成主导机制存在由“熔池失稳”向“蒸汽卷吸作用”转变的过程,转变后飞溅数量的增长速率下降。随着激光体能量密度的增加,飞溅数量增长速率增加,转变起始点对应的时刻提前。飞溅在金属蒸汽驱动下运动具有明显的方向性,加速度高达~10~4 m/s~2量级。双光束SLM成形中,飞溅形成主导机制随双光束扫描方式的变化而存在多重的转变过程。飞溅颗粒逐渐向双光束金属蒸汽交叠区汇聚,导致双光束交互作用区中部的飞溅数量增多,飞溅运动轨迹发生偏折并最终趋于垂直向上运动。(4)分别研究了SLM成形GH4169和CuZn10的熔池演变特征及其对熔道形貌的影响。结果表明:SLM成形GH4169合金过程中,液柱出射速度的逃逸阈值决定其能否断裂脱离熔池。熔池熔体的后涌与液柱的出射行为共同作用影响熔道起始端的形貌。SLM成形CuZn10合金过程中,通过理论计算和在线观测研究了熔池炸裂行为形成熔道凹坑及其愈合规律。探究了“激光能量密度-熔池温度-Zn元素金属蒸汽饱和蒸汽压”的内在联系,当挥发形成的饱和蒸汽压大于SLM环境压强时,蒸汽膨胀导致熔池炸裂产生熔道凹坑。而当扫描速度决定的熔池液相停留时间足够长时,可使熔池中的熔体回填入凹坑,提高熔道平整度。理论计算与实验观测结果相符。