通过建立同轴喷嘴和粉末输运过程的数值模型，采用数值仿真模拟的方式研究了不同工艺参数下，同轴喷嘴在垂直和倾斜使用工况下粉末汇聚性的变化规律。结果表明：粉末聚焦处的粉末浓度随载粉气速度的增加而降低，而保护气速度对粉末浓度影响较小；在载粉气流量为8 L/min，保护气流量为20 L/min，送粉量为15.8 g/min时，相比于同轴喷嘴垂直使用，倾斜使用条件下粉末的聚焦高度由19 mm升高到21 mm，焦点直径由3.7 mm增大到4.2 mm；同轴喷嘴垂直使用时粉末分布的均匀性更好；数值模拟结果与试验结果吻合良好，可以准确反映不同送粉方式中粉末的输运特性。

一些激光熔覆修复应用中无法在基体表面呈水平状态、熔覆头呈垂直状态下进行熔覆, 为了研究基体倾斜和熔覆头偏转对同轴送粉激光熔覆层形貌及粉末利用率的影响规律, 进行了基体倾斜和熔覆头偏转的激光熔覆实验, 分析、比较了基体倾斜和熔覆头偏转对覆层高度及粉末利用率的影响。结果表明：基体倾斜与熔覆头偏转能获得表面平整、内部无缺陷的熔覆层, 但粉末利用率降低; 熔覆头保持垂直状态, 基体倾角小于30°时, 粉末利用率降低不大, 倾角为30°时的粉末利用率下降10%; 基体呈水平状态时, 熔覆头偏转较小的角度即引起粉末利用率大幅降低, 偏转30°时的粉末利用率下降80%。熔覆头偏转时粉末流束中心受重力的影响而偏离熔覆头轴线, 导致熔覆头偏转比基体倾斜的粉末利用率更低, 激光熔覆修复中应尽可能减少熔覆头偏转以提高粉末利用率和熔覆效率。

为了提高同轴送粉喷嘴的汇聚性，增大粉末汇聚焦距，解决成形过程中粉末利用率低及粉末反弹造成的喷嘴堵粉等问题，研究了同轴送粉喷嘴结构参数中的粉腔间隙和粉腔锥角对粉末汇聚的影响规律。计算结果表明，在其他工艺参数一定的条件下，粉腔间隙越小，粉末的汇聚性越好；粉腔锥角越大，粉末的汇聚焦距越大，有利于零件的成形。所建模型和模拟结果对同轴送粉喷嘴的结构优化设计具有参考价值。并对模拟结果进行了实验验证，得到了工艺参数对单道高度和宽度的影响，并优化了工艺参数，最终制造出高度均匀的薄壁零件。