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作为激光增材制造(Laser additive manufacturing,LAM)技术的重要组成,基于铺粉的选区激光熔化(Selective laser melting,SLM)技术可以实现高性能复杂金属零部件的快速近净成形,目前已经在多个领域得到应用,并逐渐成为工具和模具制造的新方法。本文以典型的H13热作工具钢为研究对象,基于数值分析方法系统研究了 H13工具钢SLM成形过程复杂的熔池热行为,基于试验研究方法系统探讨了激光加工参数对冶金缺陷、致密化、显微组织和冶金结合的影响和调控机制,旨在为SLM成形H13工具钢提供理论依据和技术指导,并促进该技术在工具和模具制造业的推广和工程应用。主要研究内容和结论如下:(1)基于ABAQUS软件,编译了一套用户子程序,开发了 H13工具钢SLM过程三维有限元分析(FEA)模型,系统研究了成形过程复杂的熔池热行为。模拟结果表明,成形过程粉末材料经历了复杂且快速的加热和冷却反复迭代行为,加热速率和冷却速率高达106-107℃/s,熔池温度分布、结构演变和热演变行为受激光功率和扫描速度影响显著,而受铺粉厚度和扫描间距等其他激光加工参数影响较小。(2)研究了 SLM成形H13工具钢的冶金缺陷行为、致密化行为和显微组织特征,探讨了成形过程典型冶金缺陷形成机理,揭示了激光加工参数对冶金缺陷、致密化以及显微组织的调控机制。研究表明,SLM过程易产生气孔、裂纹、未熔合或熔合不良等缺陷。其中,裂纹多起源于成形件侧面边缘,在扩展过程中会形成次裂纹以阻止主裂纹继续扩展,且孔隙缺陷会诱发微裂纹。内部冶金缺陷和致密化行为受激光功率和扫描速度影响显著,且致密度随激光功率或扫描速度的增大先增大后减小。在优化的激光加工参数P=200 W、v=1000 mm/s下,H13工具钢试样横截面近全致密,几乎没有缺陷,致密度高达99.13%。显微组织表现为等轴晶和柱状晶两种结构,在熔池内形貌复杂且分布不均匀,不同位置其形态、大小和生长存在明显差异,其中柱状晶具有明显的外延生长特征。(3)定量研究了激光加工参数对SLM过程激光重熔和预熔行为的影响,揭示了冶金结合形成机理和调控机制,并探讨了激光体能量密度(VED)对冶金结合性能的影响机制。研究发现,重熔和预熔行为对激光功率和扫描速度很敏感,重熔池峰值温度、重熔尺寸、重熔指数、预熔尺寸、预熔指数以及熔道搭接率与激光功率呈正相关关系,与扫描速度呈负相关关系。P≥160 W或v≤1500 mm/s时均可形成有效的冶金结合。铺粉厚度主要影响激光对相邻扫描层的重熔;扫描间距主要影响激光对相邻扫描道的重熔和预熔;而基板预热温度影响较小。在优化的能量密度VED=111.1 J/mm3下,H13工具钢试样相邻扫描道及扫描层之间无明显界面缺陷,具有良好的冶金结合质量。