激光选区熔化技术（SLM）的成型质量受各种因素影响，其中，工艺参数对成型件的冶金缺陷影响最为显著，而熔池特性的研究则是判断激光增材制造成型质量的有力手段。本文建立SLM成型Ti6Al4V粉体3维瞬态热流场数值模型，利用优化后的数值模型分析熔池的动态演变机制，并在计算流体动力学中利用无量纲数定量描述工艺参数固定情况下熔池的动态演化，结合数值模拟和仿真实验分析球化、孔洞、黏粉和飞溅等缺陷形成机理，探究线能量密度和体能量密度对成型缺陷的影响规律，揭示SLM成型件冶金缺陷的形成机理与抑制方法，并提出一种“工艺参数‒熔池特征‒成型质量”一体化的方法预测成型质量。此外，本文还分析Ti6Al4V的加工工艺参数与熔池特征和增材制造成型质量的影响关系，包括关键加工参数对熔池热流场的影响，通过结果对比来探究工艺参数对加工质量的影响规律，为优化加工参数提供指导作用，节省大量的时间和成本。结果表明：熔池的主要传热方式为热对流，熔池演变的主要驱动力是蒸发反冲压力、表面张力和马兰戈尼剪切力。随着能量密度的降低，熔池流动性减弱，熔池尺寸表现出一定的规律性。熔融金属在表面张力的驱动下，往往会降低表面能凝固成球状，导致逐层成型后块体内部形成大量孔洞缺陷，严重影响试样的力学性能。因此，为获得力学性能良好的试样，必须精确控制能量密度，防止熔池流动性变化导致内部孔洞缺陷的形成。

钛合金作为最常见的金属合金，在航空、航天和生物医学领域得到了广泛的应用。Ti6Al4V是最常用的钛合金，它具有高强度、低密度、高断裂韧性、优异的耐腐蚀性和优良的生物相容性，可用于重型航空建筑、涡轮发动机、燃气轮机等，也可用于医用骨骼、牙齿等。然而，Ti6Al4V的高熔点、低导热系数和低弹性模量意味着使用传统方法进行加工将是一个巨大的挑战。

激光选区熔化技术（SLM）作为新兴技术，为高设计自由度的轻量化设计提供了巨大的潜力。该技术可省略刀具、夹具等传统加工装备，具有加工周期短、设计和生产时间少、制造成本低、材料利用率高的优势，目前，已经被广泛应用于航空航天、汽车、医疗、工业、建筑、文娱、生物科技等各个产业领域的产品设计与制造，在各类产品的智能制造方面占有较高比重，具有广阔的应用前景。传统Ti6Al4V加工制造工艺复杂，材料利用率低，成本较高。SLM加工成型Ti6Al4V采用离散堆积成型机理，不受成型试件形状约束，且生产工艺流程简单，可有效避免用传统方法加工Ti6Al4V的相关问题。SLM成型Ti6Al4V合金涉及复杂的粉体‒液‒固相变，存在多物理场相互耦合的现象：粉末对激光辐射的吸收和散射、粉体及成型固体的传热、熔体的流动、材料的蒸发和挥发及熔化/凝固/非平衡相变等。并且，材料的差异性、成型过程复杂多变、工艺不稳定性等问题，使试件的成型质量和可重复性难以保证。要实现高精度、复杂零件的工业化生产，必须克服加工缺陷，例如，零件孔洞、飞溅球化、表面粗糙、不理想的微观组织结构及力学性能、零件残余应力等。识别和控制多物理场耦合产生的上述物理现象及其相互作用机制，对于生产全密度无缺陷零件至关重要。

基于离散单元法的“热‒流”耦合模型主要采用的方法为有限体积法和有限差分法。常用的软件有FLUENT、FLOW3D等。Yan等研究低功率下电子束选区熔化（EBSM）钛合金的单/多道缺陷的形成过程，包括球化效应、单道不均匀性，研究得出粉末粒度分布和粉末层厚是影响单道不均匀性的显著因素，而增加激光功率和减小粉层厚度可以避免球化现象，但是，该研究对工艺参数（如扫描速度、束流）优化策略的指导性有限。谢印开利用EDEM离散单元软件建立粉末床模型，并用FLUENT模拟不同工艺参数下Ti6Al4V的熔池尺寸和流动情况，根据熔池温度分布及熔池表面形貌特征分析气孔缺陷形成的机理，为选择合理的工艺参数提供指导，但是，该模型没有考虑反冲压力的作用，没有分析熔池内部的主导驱动力。叶唯娟利用YADE建立粉末床模型，并用FLOW3D模拟钛合金SLM熔池受热—熔化—流动—凝固过程，研究单道球化及不平直现象的形成机理，结果得出球化是由于能量输入不足而没有熔化基板，不平直现象是由熔池边缘粉末的随机排布与不规则黏附导致，表明表面张力和蒸汽反冲压力是熔池内部的两种驱动力，但是，没有讨论“匙孔”的形成，以及表面张力和蒸汽反冲压力是如何作用于熔池及如何取决于能量密度。He等采用DEM和CFD建立SLM多道成型的数值模型，研究表明通过控制激光能量输入可以有效控制熔池的动态状态和单道之间的气孔，但是，该研究缺少实验的验证。Wang等采用粉末尺度多物理场耦合模型模拟Ti6Al4V的成型过程，研究结果表明在一定能量输入下，粉末层越厚则孔隙缺陷越明显；在高激光功率下Marangoni效应增强导致熔池凝固后单道表面出现了明显的波纹；该研究虽能预测熔池形态与缺陷，但未提供工艺参数优化具体策略，难以直接指导工业生产。Khairallah等研究316L不锈钢金属粉末熔化凝固的成型过程，认为蒸发反冲压力、表面张力、Marangoni对流都是熔池内部主要的驱动力，揭示孔隙、材料飞溅和剥蚀区等物理缺陷机理，并给出熔池形成后流场速度在前端凹陷区、中间过渡区和末端区的分布规律；然而，该研究忽略了微观尺度效应（如熔池内非平衡凝固、纳米级气液界面波动），难以精确描述匙孔不稳定性和微气泡的瞬时演化。

基于上述研究的局限性，本文综合激光功率和扫描速度分析线能量密度公式对成型质量的影响；并使用激光功率、扫描速度、扫面间距等工艺参数分析体能量密度公式与成型质量之间的关系。结合数值模拟分析球化、孔洞、黏粉和飞溅等缺陷形成机理，探究线能量密度和体能量密度对成型缺陷的影响规律，并揭示SLM成型件冶金缺陷的形成机理与抑制方法。

理论模型与条件分析

流场边界条件

作用在流场边界条件上的力FH主要分为表面力和体积力。其中：施加于熔池上的表面力包括表面张力和反冲压力；体积力包含重力、浮力和糊状区阻力。所以，FH由式（5）计算得出：

（5）

式中，fs为表面张力，Pr为反冲压力，fg为浮力，fd为糊状区阻滞力。

由于表面力需要利用高斯散度定理将其转换为体积力，并且由于交界面物性参数的突变会导致数值的离散，使得结果不收敛，因此采用基于密度平滑的CSF模型计算模型的表面力，将表面力乘以δ1转换成体积力，δ1为无量纲的系数，具体转换公式如下：

（6）

当温度高于材料熔点时，气/液界面在表面张力的作用下维持平衡，研究表明：熔融金属的表面张力与温度呈负相关关系，即表面张力的大小随着温度升高逐渐降低；在表面张力梯度下将会形成Marangoni剪切力，熔融金属在Marangoni剪切力作用下，会从熔池的高温区向低温区流动；同时，熔池底部的流体向上流动，在熔池的内部流体形成“环流”，促使熔池内液体的流动，加快热量和物质的交换。表面张力的表达式如下：

（7）

式中：

为材料处于熔点时的表面张力系数，N/m；

为表面张力系数随温度的变化率；

为液相温度，K；

为界面曲率，1/m；

为界面法向量。

当输入的能量密度过高时，熔池的最高温度高于该金属材料的蒸发温度，金属蒸汽对熔池表面产生挤压力，这个力称为反冲压力。反冲压力大小与温度有关，熔池的温度越高，反冲压力作用效果越强。反冲压力作用于“匙孔”壁面上，方向为垂直于气/液界面，反冲压力的计算公式如下：

（8）

式中：

为标准大气压，Pa；

为蒸发潜热，J/kg；M为Ti6Al4V的摩尔质量，g/mol；

为蒸发温度，K；R为理想气体常数，J/(mol·K)。

SLM的热影区在熔池的长度X、宽度Y和深度Z方向均存在很大的温度梯度，这是因为SLM成型过程中液态金属的密度一般为温度函数，即随着温度升高而降低。因此，熔池头部的上表面温度高，密度小；熔池头部的下表面温度低，密度大；该密度差导致熔体有向上流动的趋势，驱动着液体金属从高温区向低温区传递热量，从而能保持熔池温度平衡。而由温差诱导的流动现象，被形象地称作热浮力。数值模拟中，处理热浮力有两种方法：一是，把密度当作是温度的函数；二是，利用Boussinesq假设将材料密度视为定值，以源项的形式把热浮力添加到动量方程中。采用第1种方法来表示熔池中的热浮力，热浮力的计算公式如下：

（9）

式中，

为热膨胀系数，1/K。

处于液相线和固相线之间的区域是具有多孔结构的糊状区。流动的液态金属在糊状区阻力的作用下逐渐凝固，本文采用焓孔法来处理糊状区存在的动量损耗问题。焓孔法在每个单元中通过温度计算该单元内的动量损耗；利用单元的温度计算得到该单元中的液化体积分数，温度越高，液化体积分数越大，则流体流动所受到的阻力就越小；在完全凝固区，液化体积分数为0，速度也降为0，即流体不再流动。因凝固造成的单元动量损失由式（10）计算得到：

（10）

式中，

为糊状区内流体在多孔介质处的阻尼力糊状区阻力，

为凝固区常数，

为与温度有关的液化体积分数，

为一个非常小的常数。

能量密度对于球化缺陷形成的影响

在选区激光熔化的过程中，随着激光线能量密度的减小，熔融的金属液体逐渐不足以润湿基板，为了减小表面积和降低液相表面能，单道形态逐渐从连续态过渡到断续态、球化态。球化现象会造成成型件表面不平整，内部缺乏融合，形成大量孔洞，导致成型件致密度和力学性能下降。因此，优化激光加工参数（如激光功率、扫描速度）调节能量密度至适宜范围，以减少缺陷、提升成型件质量。

液固润湿特性是SLM工艺成功的关键，常用接触角

描述润湿程度：

式中，

分别为固‒液、固‒气和气‒液界面的表面张力。

越大，说明液态金属对固体基板的润湿性越差；反之，越好。当

大于90°时，表示润湿性较差的状态，熔融金属不易铺展，如图1（a）所示。当

小于90°时，表示润湿性较好的状态，液态金属的铺展性较好，如图1（b）所示。

图1熔融金属与固体基板的润湿性示意图

（a）湿润性差（b）湿润性好

为分析线能量密度对球化缺陷形成机理的影响，选取激光功率150 W，线能量密度分别为83.3 J/m、125.0 J/m和250.0 J/m的3组参数进行数值模拟，结果如图2所示。当线能量密度为83.3 J/m时，部分熔融金属凝固并与周围粉末黏附成球；部分熔融金属在表面张力的驱使下倾向于减少表面能，迅速地成球；这两种成球方式往往共同出现。这是因为激光的穿透深度没有到达基板，此时接触角为180°，呈现不完全湿润状态，液态金属流动受阻，因此不能在基板上铺展。当线能量密度提高到125.0 J/m时，单道由球化形态向断续态过渡，虽然表面还比较粗糙，但是球化效应明显减弱，此时激光穿透深度刚刚到达基板，接触角约为90°。当线能量密度继续提高到250.0 J/m时，熔化的金属粉末形成充足的熔融金属，从而改善其流动性，凝固后获得高度均匀和连续的单道，激光穿透深度能够穿透粉末床并熔化基板，并且接触角大于90°。因此，球化缺陷的形成机理可以总结为能量密度太低，熔融金属不能在基板上铺展。判断是否球化最直接的依据是观察熔池深度是否穿透粉末层厚，并熔化了基板，也可以计算熔池的接触角是否小于90°来判断熔池的湿润性。此外，还可通过适当提高线能量密度，提高熔融金属的流动性，以获得更均匀和连续的单道。

Ti6Al4V成型质量预测模型结果分析

拟合结果表明：熔池宽度、熔池深度及熔池最高温度与线能量密度之间存在显著的热力学依赖关系。基于能量守恒定律和傅里叶热传导理论，线能量密度的变化直接影响了熔池内的热输入分布，进而通过温度梯度驱动熔池边界的扩展与凝固行为。具体而言，线能量密度增大时，熔池最高温度呈非线性上升，导致熔池深度显著增加；同时，熔池宽度因表面张力与热毛细流动的耦合作用呈现先增后稳的饱和趋势。