钛合金具有密度低、强度高、耐蚀性好以及优良的耐高温性能和生物相容性等特点,因此被广泛应用于航空航天以及医疗设备等方面,但钛合金的加工性能较差,采用传统的去除材料加工方法的成本高昂。随着增材制造技术的不断发展,增材制造技术在钛合金上的应用引起了研究人员广泛关注。TC4钛合金由于其出色的性能,是当前使用最多的钛合金材料,电弧增材制造技术具有成本低、设备较为简单且易于控制的特点,广泛应用多种材料的增材制造技术中。使用电弧增材制造技术制备TC4钛合金零部件是最为经济的。金属材料的力学性能主要取决于晶粒的形态、大小及取向等因素,由于难以对增材制造过程中晶粒的形核、生长及演变过程进行直接观察,采用物理建模的数值分析方法可深入分析复杂热源条件下晶粒的形核、生长及演变行为,并探究增材制造过程在特殊热循环下,晶粒形貌形成原因及机理。本文结合蒙特卡洛方法(Monte Carlo,MC)MC和CA(Cellular Automaton,CA)方法建立非热平衡条件下的多取向物相模型,对增材制造中熔池凝固过程以及晶粒形核和生长行为进行了二维及三维数值分析。数值模型采用六边形网格,使用蒙特卡洛方法对熔池不同位置的液相进行随机非均匀形核及均匀形核的网格选取,遵守最小能量原则进行晶粒生长;且采用元胞自动机方法考虑相邻网格的溶质扩散、浓度分布、晶粒取向等进行计算;考虑电弧热源特性,建立三维传热模型分析了不同工艺参数条件下的峰值温度、冷却速度对晶粒生长情况影响。分析了不同工艺参数对熔池及热影响区的晶粒生长取向、晶粒尺寸、晶粒形貌的影响规律;分析多道多层堆垛对晶粒形貌的影响及作用机理。该模型围绕实际非平衡热源建立,将模拟结果与试验结果进行对比分析。首先在二维尺度上进行建模,通过分析模拟结果发现,峰值温度、线能量及冷却速度对热影响区和焊缝的晶粒生长有显著影响。随着峰值温度升高热影响区和焊缝晶粒尺寸增加;线能量对焊缝及热影响区晶粒尺寸的影响最显著,随着线能量的增加其晶粒尺寸增加;随着冷却速度增加,晶粒尺寸减小。在二维模型中还研究了液相停留时间对焊缝及热影响区晶粒尺寸的影响情况,研究发现液相停留时间对晶粒尺寸没有太大影响。其次,通过建立了三维模型来研究熔敷和堆垛过程中晶粒生长情况,研究发现不同的参数对熔敷金属晶粒的尺寸生长取向有显著影响,熔敷速度越快晶粒尺寸越小,晶粒在生长过程中偏转越明显;峰值温度越高,熔敷金属的晶粒越大,生长过程中偏转角度越小。