定向能量沉积技术以高能量激光束作为能量源,以同轴送粉/丝技术实现原料送给,层层堆积成形具有致密微观组织和良好力学性能的成形件。以定向能量沉积和铣削为基础的增-减复合制造技术能解决增材成形件表面质量差和铣削工艺繁琐等问题,从而高效制备具有良好表面质量和成形精度的复杂结构件。针对增-减复合制造技术中存在的问题,尤其是对定向能量沉积增材成形件微观组织和力学性能演变机理的研究不够深入,对定向能量沉积增材成形件的减材切削加工性能的研究较少,对增-减复合制造工艺和精度控制的研究不够系统等问题,本课题以316L奥氏体不锈钢为研究对象,研究定向能量沉积参数对微观组织、密度和力学性能的影响;探究定向能量沉积成形件的切削加工性能,并以锻造成形件为对照组进行分析;研究定向能量沉积过程中的温度和应力应变历程以及沉积参数对温度和应变的影响,实现316L不锈钢构件的高效率、高精度和高表面质量的增-减复合制造。本课题的主要研究内容如下:研究激光功率、扫描速度、沉积层厚、扫描间距和成形方向等沉积参数对定向能量沉积316L不锈钢微观组织和力学性能的影响。结果表明,适当的降低激光功率、提高扫描速度、提高沉积层厚和扫描间距均会提高冷却速率,使成形件的晶粒细化并增加铁素体的析出,同时小尺寸碳化物颗粒的存在使奥氏体晶界更完整,成形件的硬度和拉伸性能提高;但是过低的激光功率、过高的扫描速度、过高的沉积层厚和扫描间距会导致成形件内部出现气孔和裂纹等缺陷,并使内部的结合性降低,导致成形件的力学性能下降,并降低成形精度。基于正交切削摩擦角建立三维瞬时铣削力预测模型,研究定向能量沉积316L不锈钢的减材切削加工性能,并与锻造316L不锈钢进行对比。结果表明,三维瞬时铣削力的预测误差在1 3%以内,且在较高的切削速度下预测精度更高;定向能量沉积316L不锈钢由于具有更精细的晶粒以及铁素体和碳化物颗粒的均匀分布,硬度较大、塑性较小,因此其切削力较大、表面粗糙度较小;高的拉伸强度导致剪切区的剪切屈服强度较大,切削力和切削温度高,金属塑性变形范围增大,但密集的等轴晶晶界和完整的碳化物晶界减弱了切削对晶粒的剪切作用,因此其加工硬化层深度较锻造不锈钢更大,加工硬化程度更小;具有更好的断屑性能。研究定向能量沉积过程的温度场和应力应变,探究沉积参数对温度和应力应变的影响。结果表明,随激光功率增大,扫描速度、沉积层厚和扫描间距降低,冷却速率降低、温度梯度提高,温度场的温度升高,成形件的变形量增大;热源对已成形材料的重复热循环作用降低了温度梯度和内应力;预热基板有利于降低温度梯度,减小成形件的变形;成形件的变形主要发生在长轴和沉积方向,因此需要对成形件表面进行偏置以保证充足的铣削余量。通过优化的定向能量沉积工艺策略、沉积参数和铣削参数,实现具有高效率、高精度和高表面质量的增-减复合制造316L不锈钢构件的成形。