激光熔化沉积作为重要的金属增材制造技术之一,可用于零部件的自由成形、再制造修复与涂层熔覆等,目前已广泛应用在航空航天和能源化工等关乎国防科技与国民经济的重要领域。但因为激光熔化沉积加工过程中复杂的冶金行为与工艺环境影响,其加工质量可靠性与稳定性还有待提升,这限制了该技术在高价值装备关重件中的应用与普及。在线监测与原位调控是保证激光熔化沉积加工质量的重要手段之一,对于提升其可靠性与稳定性具有重要意义。然而,现今的激光熔化沉积在线监测与原位调控的监测部分,还存在着过程特征信息不全面、形性质量演变规律不明确、关键质量难以监测与预测等问题,这极大地限制了激光熔化沉积成形的精细化控制。因此,本文针对上述问题,研究与熔池熔化、流动、凝固等冶金动力学特性相关联的熔池动态特征演化行为,阐明以熔池动态特征为核心的工艺路径-过程特征-关键质量间的全过程演变规律,提出基于熔池动态特征的关键质量在线预测方法,为实现高性能激光熔化沉积关键形性质量精细调控与参数优化提供理论与技术支撑。主要研究工作如下:（1）搭建了激光熔化沉积多源信息融合监测平台,对沉积过程中激光、粉材与基体间的交互作用机制进行了理论分析,建立了基于生死单元法的热力耦合有限元分析模型。首先,本文搭建了可实时感知同轴可见光、旁轴可见光、红外辐射与热变形等激光熔化沉积过程信息的多源信息融合监测平台,以此作为后续研究的试验条件;其次,研究了激光头与基体间的能质传递行为,表明需要补充过程特征才能构建可反映实时加工质量的熔池三维形态模型;然后,基于冶金动力学理论,初步获得了熔池熔化、流动与凝固过程的冶金动力学模型;最后,建立了激光熔化沉积热力耦合有限元数值模型。上述内容为熔池动态特征及关键质量预测研究提供了试验条件与理论模型支撑。（2）研究了激光与基体交互作用时的激光直接熔凝基体熔池视觉特征,以此作为激光熔化沉积熔池视觉特征研究的基础。首先,利用多源信息融合监测平台,结合元素检测分析,研究了激光熔凝熔池边缘、过渡与对流区域视觉特征形成机理,明确了各区域特征分别由高温固态或糊状金属、熔池表面薄膜和剧烈对流液态金属所导致;然后,提出包括熔池对流振荡频率与幅度在内的过程特征表征方法,发现熔池对流区特征对工艺参数的变化要更加敏感,而当熔池出现较高对流区面积与较低振幅时可获得更好的加工质量;最后,阐释熔池特征与加工质量间的映射规律,提出熔池对流区振幅可以用来预测熔凝熔深的不同变化趋势,熔池对流区面积则可以用来预测熔深最低处的出现位置,在激光熔凝处于稳定加工状态时,对流区面积比熔池整体面积拥有更好的实时熔深预测能力。（3）研究了激光、基体与粉材交互作用时的激光熔化沉积熔池视觉特征形成、演化机理与冶金动力学行为。首先,结合激光直接熔凝基体熔池特征,揭示了激光熔化沉积熔池视觉特征形成机理,提出了以熔池头、中和尾部区域特征来监测熔化、流动与凝固状态,阐明了熔池熔渣生成于头部区域,移动至尾部区域,并最终附着于沉积层的冶金行为;然后,建立了适用于激光熔化沉积熔池的冶金动力学模型,以熔化速度vmelt与扫描速度v、表面约束力Fsur’与内部冲击力Fimp间的竞争关系,以及热量散失规律等为核心,提出了熔池冶金动力学状态及视觉表现的理论判据,并通过熔池冶金动力学行为的理论计算对上述判据进行了验证;最后,分析了不同加工工艺下熔池视觉特征的变化规律,发现熔池尺寸、过渡纹理、中部灰度与尾部几何形态等均会随着加工状态的稳定,而达到相对稳定的状态。（4）研究了激光熔化沉积熔池温度特征变化规律及与视觉特征关联关系。利用多源信息融合监测平台,分析了工艺参数与加工工艺对熔池温度特征的影响规律,明确了温度梯度与基体及沉积层的热累积状态密切相关,热累积增强时具有更低的温度梯度。探究了熔池温度与视觉特征间的耦合关联规律,单层单道沉积中,熔池灰度与熔池温度、熔池长度与温度梯度具有关联性,高灰度代表高温度,长度增加则代表温度梯度降低;搭接加工中,不均匀的热量传导状态会引起非对称的熔池尾部液固界面几何形态,搭接侧界面几何形态为矩形,另一侧则为圆弧形;在长周期的堆积加工中,因为薄壁结构高度与层间温度对试件散热作用影响的竞争关系,所以熔池视觉特征会进入到长短变化的循环中。上述两部分内容为关键形性质量在线预测提供了重要过程特征与基础理论支持。（5）研究了基于熔池动态特征的激光熔化沉积关键形性质量演变规律,提出了沉积层形状精度、基体热变形和薄壁结构组织性能的预测方法。利用前述几部分内容所提供的试验平台、理论模型与过程特征,针对沉积层形状精度,揭示了不同形状精度缺陷或误差产生时熔池动态特征的响应行为,利用流体力学理论分析了缺陷或误差在逐层逐道加工下的演化机制,提出了以熔池头、中与尾部特征预测沉积层形状精度的方法;针对基体热变形,根据传热与热弹塑性理论,提出基于受热面积的基体热变形预测方法;针对薄壁结构组织性能,利用熔池温度梯度与凝固速度两个温度特征,给出了适用于激光熔化沉积316L薄壁结构的柱状晶-等轴晶转变（CET）图,构建了熔池特征-微观组织-力学性能三者间的定量映射关系,初步形成了以熔池动态特征进行薄壁结构枝晶臂间距与屈服强度的定量预测方法。