航空航天、军工、民用等领域的各种重要装备中有大量含悬垂结构的零部件。采用激光熔覆增材制造方法,对这类零部件进行直接成形或在线修复具有明显优势。现有金属悬垂结构的激光熔覆成形主要采用水平分层、层间错位堆积的方法。当层间错位偏移量较小时,可以实现悬垂结构的无支撑成形,但悬垂倾角受到限制,且错位端由于没有约束易产生变形;若悬垂倾角超过极限值时则需增加辅助支撑,其在后序加工中被切除,导致工艺复杂性增加。层间错位还会造成几何“台阶效应”及半熔粉末颗粒的黏附,使成形件的表面形貌质量和形状精度大大降低。本文基于“中空激光、光内送粉”熔覆成形技术,提出了垂直切向分层法进行悬垂结构的成形。构建了一套悬垂结构激光内送粉熔覆成形系统,通过熔覆喷头在空间的三维连续变姿态运动进行沿悬垂面切向的分层,实现了悬垂结构多道堆积层与层之间的无支撑全覆盖,形成了光内送粉悬垂结构无支撑激光熔覆成形新方法。建立了不同离焦量和能量峰值位置下中空激光能量分布模型。利用热传导理论,在不同离焦量下,通过改变能量峰位置,对中空环形光斑温度场分布进行了数值模拟及分析。模拟结果表明光斑能量分布呈现边缘高、中间略低的“鞍形”分布。由于边缘温度升高对边缘热损失的补偿作用,使得温度场在光斑扫描路径的垂直方向上分布更加均匀一致;在光斑扫描方向上,温度场则呈现光斑后部略高于前部的分布特性。中空激光能量和温度场分布的测试结果亦证明了模拟计算结果的正确性。分析了光内送粉粉末颗粒在空间的受力状态,建立了粉束空间集束特性模型。分析表明,随着喷头倾斜姿态角的增大,粉束发散角呈非线性增大趋势;准直保护气对光粉同轴度的影响作用明显,但在送粉量保持不变的条件下,随着准直气压的增加,粉束浓度逐渐降低;载粉气有利于空间光粉耦合效果,但降低了粉末利用率。分析了空间熔池在重力、准直气压等作用下的形貌变化,建立了熔道顶点偏移量与工艺参数之间关系的数学模型。熔覆喷头在连续变姿态运动的过程中,随着姿态角的增大,激光功率、扫描速度的变化对熔覆层高度的影响更加显著;熔道顶点偏移量随姿态角的增大呈先增大后降低的趋势,随激光功率的增大和扫描速度的减小而逐渐增大。基于Lambert-Beer和Mie’s理论,建立了光内送粉耦合热作用模型。通过高速摄像系统对粉末熔凝过程进行了观测,明确了其对激光内送粉熔覆成形件表面粗糙度的影响机理。分析表明:激光功率的增加使熔池中心区域完全熔化,粉末利用率提高,未熔粉末颗粒对成形件侧面粗糙度的影响减小;光粉不同轴误差会增大粉束对单侧环形光的衰减作用,使中空激光能量呈现不均匀分布,对表面粗糙度的影响出现明显的方向性;粉末载粉气量的增大提高了粉末颗粒对熔池边界的撞击速度,有效降低其被捕获的概率,从而减少固态粉末在熔池边缘的黏附现象。通过对激光功率、扫描速度、准直气量、载粉气量等工艺参数在不同姿态角下的精确控制,结合坐标转换补偿以及外部辅助扫描对轮廓路径、喷头姿态变化路径和熔道层间提升的路径控制方法,成功堆积出具有悬垂几何特征的典型激光熔覆成形实体零件,最大悬垂倾角达150°。成形过程稳定,成形件表面粗糙度Ra<6.3μm,形状误差较小,内部组织均匀致密,无明显缺陷。基于光内送粉技术,创新提出“垂直切向分层法”实现了大倾角无支撑悬垂结构的激光熔覆成形。本文研究对提升复杂零部件空间激光熔覆成形与修复技术,促进激光增材制造的技术进步具有重要理论与工程意义。