增材制造（AM）又被称为3D打印,是指直接使用数控系统将粉末材料叠层堆积,进行零部件热加工的制造工艺。粉末颗粒材料的尺寸、热物理性能及喷粉工艺参数均将对增材制造产品的加工温度产生重要影响。金属颗粒在高温的作用下逐渐累积成型,温度场的大小与分布将对构件残余应力的分布、残余变形的大小、增材构件微观组织形貌产生重要影响。增材构件内的拉伸残余应力将使得构件的疲劳强度降低,服役寿命降低。较大的拉伸残余应力甚至可能导致结构的破坏。增材制造构件残余变形极大的影响构件的几何准确度,较大的几何误差将导致增材制造成型失败。而增材制造构件制备完成后的微观结构更是构件良好力学性能的来源,微观结构的优劣将极大的影响增材构件的服役性能。深入研究不同粉末颗粒特征下增材制造构件温度场变化规律,讨论粉末颗粒工艺参数对增材构件残余应力、残余变形的影响,是建立粉末颗粒性能对增材制造产品质量调控方法的基础性问题,对提高激光增材制造产品质量具有重要意义。本文建立了基于电磁波表征的激光-金属颗粒相互作用数值模型,将激光波长等电磁特征、金属颗粒半径等颗粒特征耦合进有限元温度场数值模型,系统讨论了不同金属粉末颗粒特征和喷粉工艺参数下,激光沉积增材制造构件温度场、残余应力与残余变形。形成了考虑激光-金属颗粒相互作用的金属颗粒制造工艺对构件残余应力、残余变形影响的系统性结论。随后,对圆环型激光增材制造构件尺寸效应进行深入讨论,研究圆环构件增材半径、增材高度、增材倾角等几何构型尺寸效应对增材制造过程中的热应力、残余应力、残余变形的影响及其控制机理。最后,通过建立考虑温度梯度及瞬时温度场分布的蒙特卡洛微观晶粒生长数值模型,将考虑激光-颗粒相互作用的增材制造构件温度数据作为温度条件,研究增材制造构件大尺寸柱状晶粒的生长过程。随后,建立了由单晶模型、多晶模型构成的Ti-6Al-4V材料激光增材制造过程中材料相变数值模型,成功模拟了针状α相晶粒由β相晶粒边界形核、生长过程,得到了与实验观测相似的数值模拟结果。首先,建立了基于电磁波表征的激光-金属颗粒相互作用数值模型,模拟激光沉积增材制造过程中金属颗粒与激光的交互作用,计算金属颗粒在激光照射下的不均匀温升及增材层直接吸收的有效激光功率。将激光-金属颗粒相互作用模拟结果应用于有限元移动热源模型中,对经典的双椭球热源方程进行修正,模拟考虑激光与金属颗粒相互作用后的激光沉积增材制造构件温度场,得到与实验测量数据吻合良好的温度场模拟结果。通过对激光沉积增材制造喷粉工艺的讨论,深入研究金属颗粒尺寸、喷粉流速、喷粉流量等工艺参数对构件温度场的影响。其次,采用考虑激光-金属颗粒相互作用的顺序热力耦合方法建立薄壁激光沉积增材制造构件残余应力、残余变形数值模型,系统讨论了激光沉积增材制造过程中喷粉工艺参数对薄壁增材制造构件残余应力、残余变形的影响。计算结果表明:喷粉流速的增大、喷粉流量的减小将使得激光-金属颗粒相互作用程度降低,增材层材料吸收的激光功率增大,增材层材料在加工过程中的热膨胀变形增大,纵向残余应力与增材构件残余变形增大。增材制造过程中应避免增材结构于增材基体上的偏心制造,降低增材层的侧向弯曲,同时可适当增大增材基体的厚度,降低增材构件竖向弯曲残余变形。随后,建立圆环激光沉积增材制造温度场、残余应力、残余变形数值模型,研究圆环增材制造构件残余应力分布与残余变形大小。通过研究圆环增材制造构件增材半径、增材高度、增材倾角尺寸效应对构件残余应力、残余变形的影响,分析控制不同尺度下圆环结构残余变形的力学指标。计算结果表明:圆环增材制造过程中,增材层残余变形近似呈指数型随增材高度变化而变化;圆环构件增材半径增大时,构件抗弯刚度增大,圆环构件残余变形减小;增材倾角使得增材层出现较大的横向热变形与热应力,增材层残余变形随增材倾角的增大而增大;内收增材层冷却阶段将向内拉伸增材基体,增大增材基体竖向残余变形;外扩增材层则会向外拉伸增材基体,减小增材基体的竖向残余变形。最后,建立了激光沉积增材制造构件截面晶粒形貌蒙特卡洛数值模拟方法,考虑激光增材制造构件温度梯度及实时温度分布特征,实现了计算域内由温度驱动的非均匀蒙特卡洛晶粒生长。建立了由单晶模型、多晶模型构成的Ti-6A1-4V材料激光增材制造过程材料相变数值模型,成功模拟了针状α相晶粒由β相晶粒边界形核、生长过程,得到了与实验观测相似的数值模拟结果。