激光增材制造技术,由于其适用于制造复杂的工件,所以广泛应用于航空、航天、医学器械、军事装备、汽车制造等高精尖领域,是最先进制造技术之一,具有广阔的发展前景。然而,目前要制造出精度高、组织性能优异的成形件面临着诸多挑战。熔池内部微观组织的演变过程对成型件的力学性能、机械性能等有着必然影响。但是晶粒演变是一个复杂的过程,其凝固参数、温度梯度方向、晶体取向夹角等都是非线性,瞬时变化的,通过传统实验或者监测方法很难观察到内部的微观组织演变过程,因此数值模拟方法成为研究熔池微观组织演变的主要方法。针对上述问题,本文选取2系铝合金作为研究对象,使用最具研究潜力的相场法模拟熔池内部晶粒的演变过程,并耦合宏观的温度场。通过宏观模型模拟了熔覆层的成形过程,提取固液界面上的局部点,再现局部位置的微观组织的演变过程。探究冷却速率、晶粒竞争取向夹角、择优晶粒偏角对熔池内部晶粒演变的影响。同时利用模拟结果去系统解释熔池内部晶粒淘汰、晶界形核、晶粒形貌等现象。具体的研究内容及结果如下:(1)熔池内晶粒竞争会造成晶粒的高低不同,晶界处偏析严重形核,形成特殊的晶粒形貌。通过短暂关光调制熔池界面以及宏观模拟得出晶粒在生长过程中,随着纵向高度的变化,冷却速率与相邻晶粒的竞争夹角、晶粒偏角都在发生变化。同时通过匹配实验结果与宏观模拟结果中熔覆层几何参数、熔池的最高温度,验证本文所输入相场的冷却速率的正确性。(2)模拟三个变量对于晶粒淘汰的影响,并解释熔池内部局部晶粒与整体晶粒的高低现象,结果表明:对发散竞争而言,随着竞争取向夹角的增大,竞争淘汰角先增大,并在取向夹角大于30°后竞争淘汰角减小。随着冷却速率的增大,淘汰角基本保持不变。随着晶粒偏角增大,淘汰角先增大后降低;对于汇聚竞争,其淘汰角在三个变量变化时基本不变。实验中局部晶粒高低不同是由于取向不同,其与温度梯度的偏角不同,导致晶粒很快由择优晶粒变为非择优晶粒。相同偏角,熔池中部与底部高低不同的原因是底部温度梯度方向变化率大于熔池中部,因此熔池底部晶粒的晶粒偏角迅速增大,变为非择优晶粒。(3)提取竞争中晶界处的最大过冷度,得出在发散晶界处,偏析严重。随着取向夹角增大,晶界最大过冷度增大,当取向夹角大于25°时最大过冷度值减小。随着冷却速率增大,晶界最大过冷度增大。最大过冷度与晶粒偏角呈双峰的关系,且在特定的负偏角与正偏角处出现峰值,在晶粒偏角为0°时出现最小值;在汇聚晶界处则无明显偏析。因此解释实验现象中出现晶界处形核的原因是发散晶界处偏析严重,过冷度大于形核过冷度,并进一步用模拟解释了CET(Columnar to Equiaxed Transition)的原理是枝晶间形核。(4)通过模拟解释了晶粒形貌的形成机理。晶粒下部为“下三角”形貌是由于晶粒形核且择优竞争而成;晶粒顶部为“上三角”形貌是由于晶粒取向与温度梯度方向存在较大正偏差,为非择优晶粒,被相邻择优晶粒淘汰而成。具体的晶粒形貌由其竞争类型以及凝固条件所决定。