激光熔化沉积(Laser Melting Deposition,LMD)技术基于快速原型制造基本原理,根据设定的加工路径,使用高能量的激光热源,熔化同步送给的金属粉末,快速凝固液态金属,通过逐层沉积,直接成形金属零件,应用前景十分广阔。然而,LMD成形是激光局部作用的非稳态过程,产生的温度场和应力场复杂,特别是针对大尺度构件,更易导致构件产生较大残余应力,引发裂纹等缺陷,影响构件性能。本文以LMD技术制造核电应急柴油机凸轮轴为背景,以凸轮轴制造所用材料12CrNi2合金钢为研究材料,将LMD成形凸轮的曲面成形过程典型为LMD成形曲面多层多道,结合数值模拟方法和实验方法,使用ABAQUS软件编写曲面移动热源程序,并应用生死单元技术实现沉积层的同步添加,建立LMD曲面成形过程温度场和应力场有限元模型,研究了不同工艺参数(激光功率、扫描速度、预热温度、扫描方式和层间冷却时间)下LMD曲面成形过程的温度场、应力场和变形分布规律。进行了 12CrNi2合金钢LMD单道实验研究,拟定初始研究的工艺参数,观察分析了单道沉积层的宏观和微观形貌。研究发现,激光功率为2000 W,扫描速度5 mm/s,送粉速率11.6 g/min较合适;单道沉积层的顶部为等轴晶,中下部为向外延伸生长的柱状晶,沉积层的组织为板条马氏体;为了获得准确的材料属性,进行试样的制备、测试和分析,获得了材料的高温力学性能、断口形貌以及比热容等热物性参数。研究发现,温度升高使得材料的强度降低,塑性性能提升,弹性模量和屈服极限降低;200℃和400℃时均为韧性断裂,600℃和800℃时均为蠕变断裂;为了验证温度场的准确性,开展了单层单道LMD数值模拟,将模拟获得的熔池与实验测试的熔池尺寸进行对比,熔宽和熔深误差分别为4%和9.6%,模拟与实验拟合较好。将凸轮沉积成形典型为曲面多层多道沉积,基于热弹塑性法,采用ABAQUS有限元软件,建立曲面多层多道LMD过程的有限元分析模型,分析了曲面LMD多层多道沉积的峰值温度、熔池寿命、温度场分布、温度变化率、热应力演化、残余应力及变形分布的规律。结果表明,随着扫描道数的增加,熔池寿命呈增长趋势,熔池尺寸逐渐增大;冷却后最大等效应力为686 MPa,出现在基材与沉积层的交界处;周向和轴向残余应力分别相对于扫描方向(ROT平面)和ROZ平面近似呈对称分布,最大应力分别为719 MPa和751 MPa;较大的残余应力主要集中于沉积层下部,沉积层整体的残余应力相对较小。最大平均变形量为0.217 mm,主要出现在沉积层区域,最终表现为沉积层向内收缩变形。研究了不同工艺参数,即激光功率、扫描速度、预热温度、扫描方式和层间冷却时间对激光熔化沉积成形构件的节点峰值温度、熔池寿命、温度变化率、残余应力以及残余变形的影响规律。结果表明,增大激光功率或减小扫描速度,峰值温度和熔池寿命逐渐增大;增大激光功率和预热温度,有助于减小沉积层区域的残余应力,同时会相应增大沉积层与基材交界处以及沉积层以外区域的残余应力;增大扫描速度,会增大沉积层区域的残余应力,同时会相应降低沉积层以外区域的残余应力;圆弧仿形扫描方式相比于轴向平行扫描方式,过程中的最大热应力以及冷却后的残余应力都相对较小。层间冷却时间的增加在一定程度上能增大沉积层区域的残余应力,而沉积层以外区域的应力变化较小;沿path1路径,随着激光功率、预热温度的增大,变形逐渐增加,随着扫描速度、层间冷却时间的增大,变形逐渐减小。