铜及铜合金凭借其卓越的导电、导热与耐蚀性能,被广泛应用于航空航天、机械制造、电力电子等领域。随着航空航天工业的发展,传统制造技术难以满足航空航天高性能构件在轻量化、复杂化、结构一体化等方面的制造需求。激光选区熔化成形（Selective Laser Melting,SLM）作为增材制造技术的重要分支,因其设计自由度高、生产周期短、成形制件性能优异和近净成形能力等诸多优点而备受关注,为开发高端铜合金航空航天产品提供了可能。然而,由于铜材料较高的激光反射率和良好的热传导性能,铜合金SLM过程呈现出工艺窗口窄、致密度和表面质量差等问题,而上述问题与介观尺度下所产生的复杂物理现象紧密相关。深入理解铜合金SLM过程的复杂成形机理,对于抑制成形缺陷和发展高品质铜合金航天产品具有重要意义。本文以Cu-Cr-Zr铜合金为研究材料,通过介观尺度的SLM过程数值模拟与实验验证相结合的方式,对其材料特性与熔池热动力学行为之间的影响关系、孔隙缺陷形成和演变机理、激光与材料瞬态能量耦合机制、表面缺陷形成机理及控制等关键共性问题展开系统研究,具体研究内容和主要成果如下:（1）铜合金SLM熔池热动力学基本特征研究。基于离散元法、有限体积法分别建立了随机分布的金属粉末床模型和SLM热流体动力学模型,并针对激光热源模型在热源加载方式和吸收率取值两方面做了优化改进,结合数值仿真和实验,明晰了铜合金SLM熔池热动力学基本特征。结果表明,采用改进的离散式热源加载模式有利于提高计算效率和收敛性;采用原位量热法获取的激光有效吸收率数据可以很好地改善模型预测精度;有效吸收率受工艺参数变化的影响,随着熔池从传导模式向锁孔模式转变,有效吸收率显著提高;与常用材料316L不锈钢相比,铜合金SLM熔池具有近圆形且尾部无拖尾的典型特征,成形过程呈现显著的预热效应,在能量输入较少的情况下,预热效应削弱,超高的导热能力导致熔池尺寸减小,并出现球化特征。（2）铜合金SLM成形孔隙缺陷的形成和演变机理研究。通过SLM热流体动力学模型对铜合金SLM三维构建过程进行数值模拟,以揭示铜合金SLM成形过程中孔隙缺陷的形成和演变机制。结果表明,扫描速度较大时,熔池在表面张力作用下容易形成扭曲的SLM单道,而扫描速度过低会导致反冲压力增强,引起较深的锁孔,锁孔壁的不稳定性会导致内部气孔的产生。在多道往复扫描时,由于扫描起始端粉末床温度较低,起始端和终止端的熔道形貌存在差异,容易在端部产生孔隙缺陷。当扫描间距过大时,未熔粉末之间的气隙会保留在熔道搭接区内部形成孔隙缺陷。多层扫描时,扭曲的熔道形貌会显著恶化后续加工层的质量,导致层间结合不良和孔隙,而由锁孔塌陷引发的内部气孔会随着加工层的增加而逐渐累积,且难以消除。（3）铜合金SLM热过程瞬态激光能量耦合机制研究。提出了全光线追踪的热源模型以跟踪激光射线在SLM成形过程中的多次反射吸收行为,建立了基于温度驱动的激光能量吸收准则,弥补了目前常用的Fresnel吸收准则因采用恒定复折射率带来的难以接受的模拟误差。基于光线追踪算法和高保真的热流体动力学仿真,分析了三种熔池状态下的瞬态“激光-材料”能量耦合机制。结果表明,连续熔道形况下的全局激光吸收率表现出“先上升-后下降-再稳定”的时空特性,较强的反冲压力使得熔池形成凹陷区,并产生困光效应,促进了激光的多次反射吸收。而球化效应中裸露的基板表面极大削弱了困光效应,降低了粉床对激光的能量吸收。球化效应下的全局吸收率具有剧烈波动的特征,不稳定的熔池状态对激光与粉床的能量耦合具有不利影响。锁孔模式下的全局吸收率水平明显高于连续熔道和球化的情况,锁孔壁的不稳定性也会造成全局吸收率的剧烈振荡和不稳定的能量耦合特性,不利于稳定的SLM过程。（4）轮廓扫描时序对铜合金SLM成形表面质量的影响研究。通过理论分析阐明了不同轮廓扫描时序导致的粉末床差异性,利用光线追踪热源和热流体动力学仿真,对前轮廓扫描和后轮廓扫描过程中的激光反射吸收行为、熔池热动力学行为和缺陷演变行为进行初步研究。结果表明,后轮廓扫描时,由于芯部填充区的粉末被预先固结为实体,激光在该区域的多次反射吸收现象被削弱。前轮廓扫描下,芯部填充区未固结粉末为激光的多次反射吸收提供了空间,提高了全局吸收率。轮廓扫描成形时,液态熔体倾向于向粉末区偏移并产生挂渣。前轮廓扫描对全局吸收率的提高有利于改善液态熔池润湿性和流动行为,减小熔池向粉末区的偏移,产生连续的熔道形貌,而后轮廓扫描对激光吸收的削弱容易导致球化特征的产生,在熔道边缘粘附更多未熔粉末。粗糙度试验表明,在较低的线能量密度范围内,采用前轮廓扫描的SLM成形试样的侧表面粗糙度要显著低于采用后轮廓扫描的情况。