激光熔覆是采用高能激光束照射并瞬间熔化粉末材料以及局部基体材料,从而使熔覆层与基体材料形成良好冶金结合的一种技术,是目前实现金属零部件3D打印的主要方式之一,其不仅可以用于失效零部件的修复再制造,也可以用于金属零部件的直接成形。为了研究在多层激光熔覆过程中随着熔覆层数的增加熔池尺寸的变化情况,以及获得整个熔覆过程的温度场的变化、温度热历史等信息,本文建立了一个基于能量守恒的三维热传导模型。数值模拟结果表明,在工艺参数不变的情况下,随着熔覆层数的增加,熔池峰值温度先不断增加,但在达到一定层数后不再继续增加,然而熔池的尺寸却随着层数的增加不断增大,这为基于熔池尺寸的激光熔覆控制系统提供了一定的指导。在对熔池内部信息进行研究时,热传导模型忽略了熔池中熔融金属的流体流动,而熔池内的传热主要以流体的对流为主,流体流动对于熔池的温度场分布和熔池形状影响很大,因此本文建立了基于能量、动量、质量守恒的热传递与流体流动模型,模型中考虑Marangoni对流、浮力等对于温度场和速度场的影响,并引入了相对能量质量比(REMR)来度量每单位质量金属粉末所吸收的激光能量。实验与模拟结果表明,随着REMR的增加,熔池底部边界由浅弧形逐渐变成波浪形,最终变成深弧形;同时,稀释率与REMR在一定工艺参数范围内具有线性关系。最后,为了提高熔覆件成形尺寸精度,本文搭建了基于激光位移传感的离焦量控制系统,通过监测熔覆成形过程中成形高度和离焦量的变化,控制离焦量在最优的范围,以提高熔覆件的成形尺寸精度以及粉末利用效率。