镁合金具有较高的强度、延展性,并且作为最轻的合金材料,在医疗、汽车及航空航天等领域具有广阔应用前景。传统制造业对于复杂结构零件生产具有较大局限性,3D打印为镁合金的增材制造提供了崭新的思路。其中,搅拌摩擦增材(Friction stir additive manufacture,FSAM)技术是一种新型固态增材技术,与熔融增材技术相比,在铝、镁等轻合金的应用中不存在金属的熔化和凝固,较少出现冶金缺陷,可应用于大型构件增材,具有较高的成型质量。本论文以AZ31镁合金FSAM为研究对象,采用计算流体力学模拟仿真、经验公式推导和试验相结合的方法,研究工艺参数对材料流变、温度场及应变速率的影响规律,推导了FSAM增材区再结晶组织晶粒尺寸、显微硬度的快速预测算法,为FSAM工艺参数的优化及增材试样力学性能提升提供了理论依据。论文主要研究内容如下:(1)FSAM工艺过程温度-材料流变耦合数值分析。建立多层薄板增材成型的计算流体力学模型,研究搅拌头转速、行进速度对温度场、应变速率及材料流变的影响规律,并与试验测量值对比验证。研究结果表明,搅拌头转速是影响增材成型的主要因素。三层AZ31镁合金板件FSAM过程中,当搅拌头行进速度为60 mm/min,转速为1000～1600 rpm范围内时,随着搅拌头转速的增加,板件温度升高,变形速率增大,层间流速提升,材料充分混合。搅拌头行进速度对于FSAM过程中温度场和流场的影响较小。(2)增材区晶粒尺寸与显微硬度预测。计算增材区域镁合金材料热变形过程的Zener-Hollomon参数,利用经验公式法关联Z参数与增材区再结晶晶粒尺寸,结合Hall-Petch公式,提出了一种AZ31镁合金显微性能的预测方法,讨论了工艺参数对微结构和性能的影响。三层AZ31镁合金板件FSAM过程中,当搅拌头行进速度为60 mm/min,转速为1000～1600 rpm时,再结晶晶粒尺寸随搅拌头转速的增加呈增大趋势。该工艺参数范围内,增材区显微硬度随转速增加呈下降趋势,其中,1000 rpm转速下FSAM试样增材区平均硬度最大。(3)FSAM加工成型及宏观力学性能研究。采用试验方法对FSAM加工成型过程展开研究,结果表明,FSAM过程中缺陷的形成原因不仅与搅拌头转速、行进速度、倾角及轴肩下压量等工艺参数有关,还与增材板件层数、增材起点及终点位置等有关,选择合适的参数可以避免宏观缺陷的产生。搅拌头行进速度60mm/min,转速为1000～1600 rpm时,三层AZ31镁合金板件FSAM试样的抗拉强度表现出随搅拌头转速的增加而下降的趋势。通过向AZ31镁合金板件FSAM过程中加入石墨烯纳米片(Graphene Nanoplatelets,GNNs)的方式,可提高试样的弹性模量及纳米硬度。