激光增材制造技术是目前盛行的先进制造技术之一,因具有材料利用率高、生产周期短、成形件组织性能优异等优点,被广泛应用于航空航天、生物医疗等领域。送粉式激光增材制造过程中熔池的动态特征及凝固行为直接影响成形形貌、冶金缺陷、组织及性能。然而,现有实验方法难以精确描述熔池内部动态特征及演变规律。本文充分考虑了增材制造中所涉及的物理过程,建立数学模型对熔池变化及沉积形貌进行了研究。首先,本文通过高速相机拍摄粉末在空中的分布状况,利用粉末在不同浓度处具有不同灰度值的特性,分析了粉束流在空中的汇聚特征；并使用光束质量分析仪测量激光光束功率密度分布,结合粉末的汇聚特征,建立了光-粉耦合的数学模型,实现了对激光能量衰减和粉末温升的计算。模拟结果表明：激光能量的衰减率与粉末直径呈反比,与送粉量呈正比。其次,本文对沉积层形貌及熔池瞬态演变展开了研究,建立了激光-粉末-熔池耦合的三维瞬态数学模型。该模型通过使用界面追踪Level Set方法处理气／液界面边界条件,考虑了熔池内液体流动的主要驱动力：表面张力、热毛细力、表面曲率、浮力等因素,同时采用固／液相统一的连续介质模型来处理固／液界面处的熔化与凝固过程。基于有限体积法,采用Fortran编程语言开发了相应数学模型求解程序。模拟结果表明：在熔池形成的初始阶段,熔池的“生长”是一个动态的过程,具有温升速率高,形貌变化大等特点；熔池大小稳定后,熔池温度与粉末利用率保持基本稳定状态；激光作用过程中,熔池的温度高于沉积层的温度,且熔池前沿的温度梯度大于熔池后沿的温度梯度。最后,本文研究了激光功率、扫描速度、送粉量等对沉积形貌与熔池温度的影响规律,并采用与模拟相同工艺参数进行了相关工艺实验。模拟与实验结果表明：随着激光功率的增加,沉积层高度增加幅度较小、宽度增加幅度较大；随着扫描速度的增加,沉积层的高度减少,熔池的气-液界面与基材表面的夹角减小；在送粉量较大的情况下,粉末进入熔池将导致熔池温度降低；沉积层高度、宽度的实验结果与模拟结果的相对误差均小于11%。