选区激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)是一种增材制造工艺,相比与传统的制造技术,它具有无模具、污染少、成形精度高、易于实现自动化等优点,可以制造出具有一定强度且形状复杂的零件,因此,选区激光熔化工艺具有广泛的应用前景。然而,选区激光熔化是一个高温、非线性的物理及化学冶金过程,除了受到多种因素影响外,还涉及到流固耦合、激光能量的吸收及热传导等诸多复杂的物理场现象,并且难以采用基于网格的方法来实现对选区激光熔化过程及其熔池形貌和熔化带等方面的数值模拟和分析。本文针对这些问题,研究应用光滑粒子流体动力学(SPH)无网格法对选区激光熔化过程的数值模拟和分析,并且进行试验以验证数值模拟结果和探索成形工艺规律。1)系统分析了SPH方法的基本原理和求解过程,建立了选区激光熔化的SPH数值模型。在建模过程中,考虑了对流源项和热焓源项等因素对熔池系统的影响,推导并建立选区激光熔化过程的SPH控制方程。同时为了防止不同界面的相互作用粒子发生渗透而导致紊乱,从而在对各个粒子位置进行更新时引入了XSPH修正方案。此外,为防止液相粒子穿越固液边界而导致计算错误,对靠近固液边界附近的液相粒子采用排斥力模型,并以链表搜索法为基础,提出了一种局部粒子链表搜索法,从而提高了计算效率。2)建立了选区激光熔化的SPH表面张力数值模型。该数值模型考虑了作用于流体表面法向部分的毛细力和作用于流体表面切向部分的Marangoni力,且它们都与温度有关。研究发现采用SPH方法不仅能对热传导问题进行模拟,而且还可以用来模拟流体的运动及其变形,从而为选区激光熔化成形过程的SPH方法数值模拟奠定基础。3)研究和分析了在选区激光熔化过程中,表面张力对熔池形貌演变的影响。在模拟过程中,首先考虑了温度对粉末材料的密度、热传导率和粘度系数等参数的影响建立了粉末材料模型,然后采用FORTRAN语言独立编写了二维选区激光熔化过程的模拟程序,研究和分析了在不同激光工艺参数下,熔池纵向表面形貌的演变趋势,得到了在表面张力的影响下,熔池形貌沿着纵向凝固轨迹呈现一系列曲线分布,同时其形貌看起来像波浪状,并且通过相应的熔化试验对模拟结果进行了验证,发现采用SPH方法获得的模拟结果与试验结果基本吻合,证明了SPH计算模型的有效性。此外,随着激光功率的增加或扫描速度的降低,熔池纵向表面形貌均呈增加的趋势。4)采用SPH方法三维数值模拟和研究选区激光熔化温度分布和单道熔化带的演变过程。在模拟过程中,首先根据SPH方法建立了SLM过程的三维瞬态数值模型,然后基于304L不锈钢粉末系统,采用SPH方法模拟和分析了在不同工艺参数下,熔池温度和单道熔化带的分布情况。结果发现,随着金属粉末的不断熔化,在表面张力的作用下,单道熔化带的形状将从初始平面分布逐渐演变为半圆柱形分布,而且还发现在未熔化的金属粉末层和基体材料之间,将会观察到不连续的温度分布。并且随着金属粉末颗粒空隙率和激光功率的增加,熔池的温度分布和单道熔化带的变形将会增加,但它们随着金属粉末层厚度和扫描速度的增大而降低。最后,采用了相同的工艺参数对单道熔化带变形分布和熔池尺寸进行了试验,发现试验结果与仿真结果基本吻合。这表明采用SPH法实现了对单道选区激光熔化过程的数值模拟。5)试验研究金属构件选区激光熔化成形工艺。在工艺试验过程中,首先从单道、单层等选区激光熔化成形入手,研究和分析了不同工艺参数对304L不锈钢金属粉末选区激光熔化成形质量的影响。然后在单层熔化成形的基础上,对实体方块成形进行了工艺试验,发现在其他工艺参数保持不变的情况下,当激光功率为250W,扫描速度为15cm/s,粉末层厚为60μm和搭接率为60%,采用S形扫描策略时,获得的成形方块质量较好。最后,根据该工艺参数,以304L不锈钢粉末为材料,采用选区激光熔化设备分别实现了花形和网孔结构等薄壁零件的成形。