激光增材制造技术是一种典型的快速成形工艺,因其独特的“逐层制造”加工方式,极适合制造复杂结构零件,也能实现损伤零件的快速修复。镍基高温合金因其良好的高温机械性能及抗腐蚀性能,在航空航天、航海、核工业及石油化工等众多领域具有广泛应用。激光增材制造技术在镍基复杂零件的直接成形及快速修复方面具有独特的优势。然而,由于激光增材制造物理过程复杂、工艺敏感性高及影响因素众多,要实现零件“控形控性”激光增材制造尚存在极大挑战。目前,激光增材制造镍基高温合金尚存在严重的成分偏析、明显的各向异性(织构)及凝固组织可控性差等诸多问题,严重地制约了该技术的发展及工业应用。本文以激光增材制造为研究对象,以Inconel 718粉末为成形材料,采用实验测温、组织及性能表征、数值模拟及凝固理论模型分析等手段针对上述问题开展研究,旨在揭示凝固组织的形成机理,建立工艺-组织-性能之间的联系,进而对凝固组织进行调控。具体研究内容及结果如下:(1)分析了连续激光加工参数对熔池热历史、凝固组织及性能的影响,建立了熔池冷却速率与凝固组织之间的定量关系。结果表明,连续激光增材制造沉积态组织以定向生长的柱状枝晶为主,且枝晶间存在明显的Nb元素偏析及连续分布的Laves相;降低激光功率与增加扫描速度均有利于提高熔池冷却速率、细化枝晶组织、减少Nb元素偏析及Laves相;与激光功率相比,扫描速度是影响熔池冷却速率及凝固组织的主要因素;一次枝晶臂间距与熔池冷却速率近似呈幂函数关系,其中常数项为438.5,指数项为-0.577;随着冷却速率的增大,溶质扩散距离减小及溶质捕捉加强导致Laves相体积分数及Nb元素偏析比的明显下降。(2)提出采用准连续激光加工模式对凝固组织进行调控,并研究了脉冲参数对凝固组织及性能的影响。与连续激光模式相比,准连续激光模式能显著改善熔池凝固条件,从而细化枝晶组织、减少Nb偏析及Laves相,进而提高沉积试样热处理前后的硬度及拉伸性能;高的脉冲频率倾向于形成细小的柱状枝晶、线性分布的Laves相及高取向的凝固织构,而低的脉冲频率有利于形成细小的等轴枝晶、离散分布的Laves相及更随意取向的凝固织构,这主要与熔池凝固条件、熔池界面形态及周期性重熔有关;低的占空比有利于获得更快的熔池冷却速率与更平缓的熔池界面,导致试样晶粒细化,且生长方向更倾斜于沉积方向。(3)利用熔池三维瞬态数学模型,研究了不同激光加工模式下熔池形貌、温度分布及凝固参数的演变规律,结合凝固理论,分析了连续与准连续激光作用下凝固组织的形成机理。与连续激光加工模式相比,准连续激光模式导致熔池形貌及温度的周期性变化,显著提高熔池凝固速率及冷却速率等;与高脉冲频率相比,低脉冲频率降低熔池重熔频次、增大熔池界面曲率及提高熔池冷却速率;熔池凝固参数及凝固理论模型分析结果表明,熔池顶部因温度梯度低且凝固速率高,易形成等轴枝晶;高扫描速度及低脉冲频率有利于提高熔池冷却速率并减小温度梯度与凝固速率比值,进而细化枝晶组织并促进等轴枝晶的形成。(4)研究了扫描路径对枝晶生长及凝固织构的影响规律及机理,并探索了近单晶织构及空间局部组织定制的方法。受熔池界面形态及热流方向的影响,单向扫描路径倾向于形成较低取向的纤维织构,双向扫描路径倾向于形成具有Z字形晶粒形态的高取向立体织构,交叉路径形成取向杂乱的复杂立体织构;双向路径与高脉冲频率组合有利于柱状枝晶的外延生长,在多晶基材上获得近单晶织构,这与熔池的界面形态、凝固参数及周期性重熔等有关;空间凝固组织对位点特异的加工参数表现出较高的响应行为,通过位点特异的工艺参数设定,在保证成形件外形的前提下,可实现不同位置不同组织形态的空间布局。