采用高速摄影技术对激光快速成形过程中液态熔池的形成及其演化过程进行了实时观察。结果发现，以一定速度向前运动的激光束辐照基材时，基材表面开始熔化并形成液态熔池，经过一个较短的时间间隔(约1.0 s)后熔池深度增大至一定值，熔池长度则围绕一恒定值波动。以恒定送粉率向熔池中连续送进金属粉末时，熔池的长度和宽度逐渐减小，熔池寿命缩短。同时熔池后沿不断抬高即熔覆层厚度不断增加，最大熔深处熔池自由表面法向和激光束轴线之间的夹角由几度逐渐增大到20°～30°左右。熔池自由表面发生周期性的变化，实验观察到熔池后沿有周期性的“岛状凸起”出现和消失现象。数值计算结果证实这主要是熔池中熔体在表面张力梯度下引起的强制对流作用的结果。

建立了激光表面快速熔凝条件下温度场的二维数值模型,并利用有限差分法对Cu-Mn合金在激光表面快速熔凝条件下的温度场进行了计算.计算结果表明该模型能准确描述激光表面快速凝固条件下熔池的温度场信息,而且在保证计算精度的条件下简化了计算(相对于三维).计算结果与实验结果相吻合.

建立了侧向送粉激光熔覆粉末颗粒温升的数学模型,该模型可以考虑激光束的功率分布。推导了考虑激光束直径大于粉斑直径和小于粉斑直径两种情况下,粉末颗粒在光束辐照下的温升与其在光束下运动时间的关系式。通过算例,给出了在不同激光功率下粉末颗粒的温升随其与激光束相互作用时间的关系曲线以及不同颗粒直径条件下粉末颗粒温度随相互作用时间的关系曲线。采用微距摄影技术对粉末颗粒到达熔池表面的状态进行实验观测,并采用图像分割技术中的迭代阈值选取方法,对所获得的灰度图进行处理从而得到了粉末颗粒到达熔池的温度。计算结果与实验分析获得了相同的结论,从而验证了模型的正确性。

建立了移动光源下三维瞬态、对流/扩散固、液、糊状区及相变,多相区统一的激光熔凝数学模型。该模型主要解决了已往模型必须将固态和液态分开计算然后进行耦合且不能计算糊状区的缺陷,这种方法能够反映糊状区的存在及固液相变过程中潜热的吸收和释放的影响且在计算过程中自动跟踪糊状区位置,无须人为划分相区。根据数学模型的特点,建立了一套固定网格的数值求解方法。通过熔池深度的计算与实验值的比较验证了模型的正确性。进一步研究了表面张力、浮力等驱动力与激光熔池形状几何尺寸的关系。计算结果指出,表面张力和浮力驱动熔池内熔体的对流存在一次环流和二次环流。一次环流使熔池变宽、变浅,二次环流使熔池底部出现凹坑。实验印证了计算结果。

根据送粉式激光熔覆的物理过程，提出了送粉式激光熔覆数值模型必须考虑的基本问题。回顾了已报道的送粉式激光熔覆的数值模型在处理相关问题时所做的基本假设和处理方法。重点讨论和分析了激光与合金粉末及基体的相互作用的数值模型，合金粉末落入熔池的状态及熔池自由表面的形状等问题。