金属增材制造技术是近几十年来发展起来的一项材料成形新技术,实现了金属制品的生产方式从等材、减材到增材的重大转变,具有工艺流程短、材料利用率高以及能够生产传统技术难以成形的复杂结构制品、易于满足个性化需求等特点,应用前景广阔。但是,现有的金属增材制造技术存在着设备和材料成本较高,原料适用性较差,成形件成形尺寸受限、成形效率较低、热应力较大和热积累严重等问题,制约了该技术的快速发展和推广应用。有鉴于此,本论文基于低成本高效率的金属液流快冷增材制造技术原理,自主研制了金属液流快冷增材制造新设备,开发了相关的控制系统,并以航空航天和汽车工业等领域应用广泛的7075铝合金为对象,金属液流快冷增材制造成形了 7075铝合金件。借助高速摄像机、金相显微镜、激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜、Flow-3D有限元软件、Matlab软件、Simulink仿真软件和Visual Basic语言等设备及方法,开展了金属液流快冷增材制造设备及技术的基础理论研究,开发了金属液流快冷增材制造技术原型。取得的主要创新性研究结果如下:基于金属液流快冷增材制造技术原理,发明了金属液流快冷增材制造设备及控制系统。针对连续金属液流稳定性控制困难的问题,设计了特殊形状的流量控制塞杆与喷嘴相配合的高效出料系统,当喷嘴出料孔直径为0.4mm时,气动临界出料的压力约为8.8kPa,且随着出料压力的增大,7075铝合金液流断裂前的长度增大,实现了连续稳定金属液流的控制。设计了基板冷却和溢流式循环水随形冷却两种冷却方式,当7075铝合金成形件的高度低于60mm时,基板冷却具有较好的冷却效果;随着7075铝合金成形件高度的增加,溢流式循环水冷却效果逐渐增强。提出了基于Fuzzy-积分分离PID的气压控制算法,与单独的PID控制相比,充气过程中的超调量由0.29kPa减小至0.03 kPa,过冲明显减小,充气过程更快;采用对开源软件Repetier Host生成的G代码直接进行二次编辑的方法,获得了金属液流快冷增材制造G代码生成软件,与传统的对开源软件Repetier Host架构和语言直接进行更改的方法相比,开发周期和难度均大大降低。针对连续金属液流在无熔池约束条件下凝固形状控制困难的问题,建立了金属液流快冷增材制造7075铝合金成形件的尺寸均匀性和横截面形状控制理论。界面倾角和界流间距的大幅周期性变化是导致7075铝合金成形件的尺寸不均匀的根本原因;根据能量守恒定律,建立了无熔池约束条件下固液界面变化与7075铝合金成形件尺寸均匀性关系的数学模型,与实验结果的平均误差小于10%;不同工艺参数下,单道次无熔池约束成形铺展阶段边部凝固7075铝合金熔体的体积和堆积阶段7075铝合金熔体的凝固速度发生改变,使7075铝合金熔体在铺展和堆积过程中的动能产生变化,是影响金属液流快冷增材制造单道次7075铝合金件横截面形状的根本原因;建立了工艺参数与单道次7075铝合金件横截面形状的关系模型,与实验结果的平均误差小于10%;建立了最优扫描间距与单道次7075铝合金件横截面形状的计算模型,实现了对金属液流快冷增材制造7075铝合金成形件形状的控制。针对快冷条件下无热源直接重熔基层金属导致成形件层间结合困难的问题,提出了金属液流快冷增材制造7075铝合金成形件的层间结合质量控制方法。通过提高熔体温度和出料压力,能够缩小铺展阶段边部7075铝合金熔体凝固的体积并增大7075铝合金液流撞击基板的速度,基本消除7075铝合金成形件的孔洞缺陷;根据半无限大物体一维非稳态传热理论和热量守恒定律,建立了 7075铝合金成形件界面温度控制数学模型和基层温度控制数学模型,构建了工艺参数与7075铝合金成形件层间结合质量的定量关系,实现了对金属液流快冷增材制造7075铝合金成形件层间结合质量的控制。针对连续高温液流冲击条件下成形件组织形成机理不明的问题,揭示了金属液流快冷增材制造7075铝合金成形件微观组织形成机理,高效制备了微观组织均匀和力学性能优异的7075铝合金方形件和矩形管,开发了金属液流快冷增材制造技术原型。连续高温液流冲击能使7075铝合金熔体凝固前的流动速度由平均4.6 cm·s-1增加至79.6 cm·s-1,增加了枝晶臂的断裂和形核率,将7075铝合金件的微观组织由平均29.6μm显著细化至18.2μm;成形过程中的热循环会使7075铝合金成形件微观组织的界面自由能减小,热积累则造成金属熔体的凝固速度显著减小,导致温度梯度与凝固速度的比值减小,使7075铝合金成形件的微观组织由蔷薇状晶转变为等轴晶;分别制备了尺寸为55×20×50 mm的7075铝合金方形件和尺寸为80 × 30 × 50 mm的7075铝合金矩形管,总制备时间小于300 s,平均致密度达到99.9%,平均晶粒尺寸为42.6μm,平均抗拉强度为330MPa,明显优于传统铸件的抗拉强度(87～120 MPa)和激光选区熔化7075铝合金件的抗拉强度(203 MPa)。