- 文献综述（或调研报告）：
第一章 前言
与传统的等材制造和减材制造不同，增材制造(AM)围绕“离散-堆积”思想，通过将数字模型离散，原材料离散，逐层堆积材料以生产零件。增材制造展现出非常快的发展速度，按打印材料不同，可分为金属材料增材制造，非金属材料增材制造和生物材料增材制造，其中金属零件的增材制造发展最为迅速[1]。目前全球大多金属增材制造系统都采用粉末床熔融工艺[2]。该工艺使用金属粉末作为原材料，热源按指定路径扫描粉末床，使粉末熔化形成熔池。待熔池凝固后，形成零件一剖面层，再以同样方式，逐层铺粉扫描烧结生产零件。根据热源不同，又可分为激光选区熔化(SLM)和电子束选区熔化(EBM)。
增材制造过程中形成的微结构是影响零件机械性能的关键因素之一。零件孔隙率的增加使零件在力学载荷和环境作用下更易产生裂纹及扩展。因此降低材料孔隙率(lt;0.5%)是优化金属增材制造零件性能的首要途径[3]。Greitemeir等[4]通过对比分析分别使用电子束选区熔化(EBPB)、激光选区熔化(LBPB)和激光熔丝沉积(WFLB)工艺生产的Ti-6Al-4V零件的高周疲劳寿命，认为减少零件表面缺陷对提高零件高周疲劳寿命有最显著的作用，通过热等静压(HIP)处理后零件中封闭的孔隙对疲劳裂纹的扩展没有明显影响。而Chan等[5]研究发现零件的粗糙表面成为疲劳裂纹的起始点，表面粗糙的零件相比于表面光洁的零件拥有更低的屈服强度和伸长率。Zhen等[6]对LENS沉积的316L不锈钢零件进行硬度测量，发现加工过程中的复杂的热循环很可能使零件发生固态相变，诸如回火和时效效应。在增材制造期间对粉末床复杂的温度场和流场进行实验测量是极具挑战性的。在这方面取得实验进展依赖反复迭代实验，这些实验既昂贵，又耗费大量时间。数值模拟是应对这一复杂挑战的有效替代方法之一。
第二章 增材制造中的数值模拟研究
金属增材制造过程涉及多种物理过程：粉末床和熔池吸收热源能量、熔池的凝固-熔化-重新凝固、粉末颗粒与金属液体的润湿关系、粉末的传导和辐射散热、熔池中金属液体的热传导和对流、毛细作用和重力作用等[7]。通过建模并进行数值模拟可以高效有针对性的解决增材制造中的缺陷问题，并使零件达到特定的性能要求。
2.1 主要数值模型
目前已经开发出多种数值模型来辅助理解增材制造过程中的机理，并成功优化增材制造工艺过程且能够预测制造零件的最终性能。增材制造数值模型主要有两种类型：宏观连续模型和微观粉末演变模型。
2.1.1 宏观连续模型
宏观连续模型旨在研究零件规模的工艺过程，因此这些模型必须设定一定的简化假设以确保计算效率，例如：将粉末团视为连续体，而忽略其中的流体力学[8]。这类模型通常使用有限元方法，对增材制造中粉末床的温度场、零件残余应力和熔池特征展开研究，并可以使用各种商业软件包轻松构建[9]。
Roberts等[10]使用有限元分析软件开发了一种用于计算涉及多层扫描的粉末床温度场模型，并考虑材料的相关温度特性及相变对温度产生的非线性影响。Kolossov等[11]开发了一种有限元模型来预测钛粉激光选区烧结(SLS)过程中粉末床顶面的温度分布，并使用了红外热成像仪进行验证测量。Smith等[12]则通过CALPHAD方法与有限元分析结合，进行基本合金热力学计算，将在增材制造过程中观察到的非平衡过冷的热力学一致特性和微观结构演变纳入有限元分析中，进而实现对增材制造中零件微观结构预测。尽管此类模型可以轻松对零件规模的工艺过程进行模拟，但是其探索增材制造过程的基本机制能力有限。
