内部加固筒形构件在航空航天、船舶、电力、海洋工程等难加工高端装备中得到广泛应用。但其内部空间狭小,加工环境受到约束,传统工艺难以实现筒形构件高质量内部加固,限制筒形构件应用。针对上述加工难点,引进内壁激光增材制造（Laser Inside Additive Manufacturing,LIAM）技术,突破内壁加工环境约束条件且实现在构件内壁进行复杂结构一体成形,为筒形构件内部高质量成形加固提供新途径。本文系统研究多尺度内壁激光增材物理过程,揭示粉体/激光热质耦合、激光/熔池热质输运及凝固行为作用机制。针对筒形构件内部粉体运动轨迹及温度分布难以监测的问题,基于计算流体动力学,构建了激光/粉体热质耦合物理模型,研究了平基板与筒壁基板及载气速度对粉体流动汇聚行为及温度分布影响机制。结果表明,粉体运动轨迹呈收敛形分布,分环形区、汇聚区和发散区,汇聚区位于同轴喷嘴下方12.5-16.5 mm处。随载气速度由1.75 m/s增至4 m/s,平基板上方粉体浓度由8.0 kg/m~3减至2.4 kg/m~3,筒壁基板上方粉体浓度由9.7 kg/m~3减至2.5 kg/m~3。因筒壁基板较平基板具有更小的曲率,故筒壁基板能造成更高激光反射强度,筒壁基板在载气速度为1.75 m/s时,其最高温度为1803 K,而平基板仅为1514 K。针对筒形构件内壁处熔池难以动态实时监测的问题,基于高斯移动热源轨迹规划,构建了内壁激光增材制造熔池热行为、凝固行为及生长模型。研究了不同扫描速度对熔池形貌演化及熔池温度分布的影响规律,揭示了扫描速度对熔池热物理特征及组织凝固行为的影响规律。结果表明,随着内壁激光熔覆进行,熔池长度、宽度、深度方向尺寸在150 ms后逐渐趋于稳定状态,熔池温度分布无明显变化。熔池边界和熔池中心温度梯度G分别从4.975×10~6K/m减至5.5×10~5 K/m。而熔池底部和熔池顶部凝固生长速率由2×10-4 m/s增至0.014 m/s。由于熔池底部至顶部的G/R减小而G×R增大,进而熔池微观组织形态由平面前沿向柱状晶和等轴晶过渡,且其组织尺寸逐渐减小。针对筒形构件内部加固高质量成形调控挑战,探究了熔池内部金属液体流动行为对成形质量的影响机制。基于内壁激光增材制造熔池热行为物理模型,构建了内壁激光增材制造熔池非等温流动模型,研究了非等温流场对熔池热行为及形貌的影响规律,研究了熔池演化过程马兰戈尼流运动行为和扫描速度对熔池形貌、稀释率及流场分布的影响规律。结果表明,激光增材制造溶体形成初期,熔池内Peclet数小于5,热传导在热传递中起主导作用;随着熔池内马兰戈尼对流强度增强,Peclet数大于100,热对流为熔池内主要传热机制;进一步增加激光扫描速度,减少了单位时间内进入溶池内的粉体量,熔池高度由0.95 mm降至0.2mm。因单位时间内基板吸收能减少,沿增材制造方向最高熔池温度由2600 K降至2200 K。未考虑热流场时,熔池深度方向尺寸较大,反之则获得更平坦且更宽的成形熔池。