针对大型航空结构件增材成形过程中的应力控制及变形开裂预防,本文开展激光同轴送粉增材制造热力演化及变形调控关键技术研究,为我国先进装备的整体化、大型化以及高精度制备奠定技术基础。激光同轴送粉增材制造技术是以激光为热源,利用载气式送粉器输送金属粉末,粉末流和激光束同轴,随着光斑在工件表面的移动,逐点、逐线、逐层增长成形,是一种兼顾成形、成性需求的一体化制造技术。但由于工艺特点,激光同轴送粉增材制件成形精度不足,极易发生变形,甚至产生裂纹、开裂,因此,制件的成形质量难以保证是制约激光增材制造技术发展和应用的一大瓶颈。本文采用理论分析、有限元仿真和实验验证相结合的方法,对增材过程中的热、应力、变形等物理量的时空特性、演化机理进行研究,为实现增材过程中的应力/变形调控、提高制件成形质量、实现大型构件的增材制造提供理论基础。具体研究内容及结论如下:（1）薄壁结构作为增材制造的基本单元,其热力耦合行为也是大型构件热力控制的基础,基于此,本文研究了增材制造薄壁结构时热力演化的尺寸效应。结果表明,随薄壁结构高度尺寸增加,熔池温度循环递增,但不具有明显规律性;增材制造过程中首层应力值最大,高度尺寸增加导致应力递减,但冷却时又会迅速回升;随高度尺寸增加,基板的纵向翘曲变形具有不稳定性,波动幅度很大。当薄壁结构长度尺寸增加时,熔池温度曲线的循环周期增大,试件整体温度更高,冷却相同时间后的温度梯度更大;随长度尺寸增加,首层应力值增大,制造过程中的低应力区范围和冷却过程中的高应力区范围扩大;薄壁结构长度尺寸增加,导致基板残余变形量加大。（2）对于三维尺寸不同的长方体试件,生长方向必然会对增材制造的热力耦合产生影响,尤其是大型构件的长宽比更大,影响会更加明显,因此,本文研究了两种生长方向下热力演化的不同效果。结果表明,短向生长时,增材过程中温度曲线的峰值低,变化幅度大,降温速率慢,增材结束时温度高;但冷却时,降温速率快。短向生长时,增材过程中的熔池温度低,热影响区范围小,但由于横截面积大,传递到基板的热量大,因而基板温度高,且高温区分布面积广;冷却相同时间后,短向生长块体的整体温度低。比较两种生长方向下的应力演化,增材过程中,短向生长应力曲线波动幅度更大,后期增长速度更慢。但冷却过程中,短向生长高应力区分布范围更广,残余应力峰值回升更快。就两种生长方式而言,短向生长基板翘曲变形量要明显大于长向生长,而且更早达到收敛。（3）对于典型航空结构件,在考察其构形特点的基础之上,发现其片层轮廓可拆分为若干特征单元,因而,可对其按特征进行分区离散制造,以调控应力和变形。本文研究了特征分区下,典型构件增材制造时的热力分布特点和影响因素。对于具体的特征分区单元,研究了区内温度场背离式扫描路径和重叠式扫描路径对热行为的影响,发现背离式扫描路径可以降低熔池温度,缩小高温区范围,因而,区内优选背离式扫描路径。对于大型构件的单个层面,一般包含若干个特征分区,研究了连续扫描、间隔扫描、远端扫描三种不同区间扫描顺序的影响。结果发现,连续扫描的熔池温度和基板温度最高,应力峰值最大,变形也最为明显,而远端扫描最有利于控制应力和变形。（4）针对大型构件增材制造时的尺寸极限、加工极限等技术瓶颈,本文开展了激光增材连接技术研究。即先分段成形、再连成整体,以达到离散应力、减小变形的目的。采用有限元仿真的方式预演大型构件在连接过程中的热、力、变形,发现高温区域集中在连接缝附近并向外呈现梯度分布;连接缝处应力在连接阶段数值并不高,但冷却一定时间后,会形成集中高应力区。受到边界条件制约,框架连接时,纵向翘曲变形比较明显,而肋板在连接时会产生不同角度、不同方向的偏转。通过连接区合理布局和块体优化设计,实现了总长度达3.7 m的钛合金整体结构的分段成形和增材连接。