悬垂闭合结构作为工程中一种多见的结构,在航空航天、船舶、核电、矿山、冶金、模具、发动机等领域都有广泛的运用,采用3D打印技术无模直接成形悬垂闭合结构具有独特优点与重要意义。现有报道采用金属3D打印的方法直接成形大倾角悬垂结构通常会产生熔池塌陷、表面台阶等缺陷,更难以成形出全闭合的结构件。采用光内送粉激光熔覆技术成形具有大倾角特征的结构件,可有效改善熔池塌陷等问题,但还是存在易发生熔覆层变薄、翘曲、脱离预定轨迹的情况。本课题基于光内送粉激光熔覆技术,对具有大倾角悬垂闭合结构件的成形工艺进行深入的研究。针对大倾角加工时出现的熔覆层变薄、翘曲、脱离预定轨迹问题,提出一种熔池悬垂沉积的斜向激光内送粉熔覆成形方法。在结构件倾角增大至一定角度时,采用不同的喷头偏转角度进行熔覆堆积。通过对加工工艺参数的调整优化,使熔覆层按照结构件母线位置顺利生长,实现悬垂结构件的成形。本文首先研究了熔池悬垂沉积的基础工艺,分析了变角度情况下熔覆光斑变形情况,结果表明光内送粉熔覆头在25°至90°的范围内可实现熔覆层间的法向堆积,且熔覆层较为平整、不影响后续加工堆积情况。以斜面熔池为研究对象,建立了其受激光辐射熔化到再凝固期间的力学模型。通过理论分析得出:在倾角一定的斜面上进行激光熔覆时,熔池沿基材表面向下流淌位移的距离与加载时间的二次方成正比。随着送粉喷头相对待成形基面偏转角度减小,粉气流压力影响越明显,位移值随之增大。功率越大,熔池温度越高,位移量也随之增大。通过FLIENT数值模拟熔池流淌过程,确定了 2s至4s内熔池沉积较为稳定且横向高度受到粉气冲击产生对流的影响较小,能够获得较好的沉积形貌。通过在竖直面已成形单道上进行点的变向沉积试验对上述理论结果进行验证,总结各加工工艺参数(激光功率、加载时间、喷头偏转角度)对熔池沉积效果的影响规律,结果表明在加载时间为2s至4s熔池沉积现象较为稳定,且沉积位移与激光功率、加载时间呈正相关,与喷头偏转角度呈负相关。在功率为870w、喷头偏转角度为30°时,可得到较好的沉积形貌。针对拱形封闭结构成形过程中的难点,提出分区域逐次堆积的方法。按照加工过程中的已成形部分与喷头之间的相对位置关系将封闭构件分为非干涉区、易干涉区与合龙区3部分,分别采用法向成形方法与熔池悬垂沉积方法进行加工。法向分层方法可消除零件的表面台阶效应,采用熔池悬垂沉积方法可在避免喷头受到干涉的同时抑制熔池斜向生长的趋势。通过不同倾角下熔池悬垂量的需求,同步改变工艺参数以保证熔池沿设计轨迹生长。建立封闭结构合龙区的数学模型,对实现结构封闭的条件进行分析,顺利实现零件闭合。采用法向成形方法与熔池悬垂沉积方法相结合,完成了拱形封闭结构的成形。对成形件进行尺寸与性能检测,成形结构件尺寸与设计尺寸存在一定误差,误差值在8%以内,结构合龙处形貌良好,合龙处壁厚尺寸均大于设计尺寸。结构件悬垂分支组织均匀,沿高度方向晶粒尺寸呈变大趋势,在悬垂沉积区这一现象较为明显。整体硬度较为平均,两结构件硬度均在590HV-700HV范围内呈规律性波动。