探究了不同工艺参数（激光功率、扫描速度、搭接率、熔覆头到基体的距离）相互耦合作用对多道激光熔覆层几何特征（熔覆层平均高度、基体平均熔深、平均稀释率、表面平均高度差）的影响规律，实现了熔覆层形貌的预测。设计全因子实验，基于响应曲面分析方法构建涂层形貌与工艺参数之间的数学模型，并将预测结果与实验数据进行比对。结果表明：扫描速度对熔覆层平均高度的影响最为显著，激光功率对基体平均熔深的影响最为显著，熔覆头到基体的距离对平均稀释率的影响最为显著，扫描速度对表面平均高度差的影响最为显著；熔覆层平均高度、基体平均熔深、平均稀释率、表面平均高度差的平均相对误差分别为10.09%、4.96%、8.83%、8.34%，模型的拟合优度Radjust2分别为0.8971、0.9251、0.9240、0.8545。

为了获得一种匹配3 kW宽带矩形激光器的同轴送粉喷嘴，采用了Fluent软件的离散相模型，对同轴送粉喷嘴粉末通道结构参数开展了四因素四水平的正交仿真试验，研究了结构参数对粉末汇聚浓度与粉斑尺寸的影响。结果表明，宽带同轴送粉喷嘴的粉末浓度在轴向与径向上均服从高斯分布，验证了喷嘴结构的合理性。四因素对粉末浓度的影响效果从大到小为：倾角、垂直高度、收缩角度以及出口间隙。当采用最优结构参数时，喷嘴可以在距离粉末出口24.6 mm的平面上形成一个3.08 mm×3.08 mm大小、最高质量浓度为32.29 kg/m3的矩形粉斑。最终通过送粉试验验证其合理性，为后续激光增材制造试验的开展提供依据及参考。

同轴送粉激光熔覆是一种在材料表面制备冶金结合涂层，用于提高表面性能的技术。为使粉末流与平顶激光较好地耦合，提高粉末利用率，保证粉末汇聚均匀，利用仿真软件、高速相机和图像处理软件，建立了激光熔覆工艺参数与粉末流在激光聚焦光斑上汇聚质量的关系。利用流体分析软件模拟并结合试验，设计较好的送粉工艺，提高粉末利用率，改善熔覆成形质量。通过三维建模和软件分析，研究了工艺参数对同轴送粉光粉耦合效应的影响，当粉末盘转速为1.2 r/min、载气流速为4 L/min时，粉末流与激光束的耦合形态最佳、粉末流利用率高、收敛特性好、熔覆层形貌较好。

针对同轴送粉的激光定向能量沉积(DED),结合送粉方程与VOF (Volume of Fluid)方法,提出了沉积层计算模型,采用固定坐标系下的移动边界条件,对单道IN718成形过程进行了实时模拟,并进行了实验验证。结果表明:在单层单道沉积加工下,随着扫描速度从8 mm·s -1增加到14 mm·s -1,沉积层高度和宽度分别减小了57.1%和21.6%,计算所得沉积层高度、宽度及熔深与实验结果吻合良好。在此基础上,计算了在单向平行搭接方式下搭接率为30%的单层双道沉积层温度场分布,得到了不同搭接时刻沉积层的温度变化规律。受第一沉积层热累积的影响,熔池潜热效应会使搭接加工时的表面最高温度略低于单道加工时的表面最高温度;同时受搭接沉积层在扫描过程中高温状态的影响,第一沉积层在搭接扫描过程中会出现回温现象,回温区间为1000~1600 K,幅度为100~300 K。该研究成果对深入理解同轴送粉激光定向能量沉积工艺机理以及工艺优化具有重要意义。

粉末利用能力较低是采用粉末材料进行激光熔化沉积时面临的主要问题之一, 如能将未完全熔化沉积的粉末材料进行循环再利用, 则可以大幅度提高该技术的粉末利用能力, 降低生产成本, 提升环境效益。因此, 为明确四喷嘴同轴送粉激光熔化沉积中的粉末循环再利用能力, 本文以薄壁结构件为对象, 分析了不同循环利用次数的316L粉末对薄壁结构件表面粗糙度、微观组织、显微硬度及拉伸强度的影响。结果表明：在循环利用5次范围内, 不同循环利用次数的粉末所加工的薄壁结构沉积层均无明显裂纹、气孔等缺陷, 微观组织由柱状枝晶和等轴枝晶组成, 粉末循环利用次数也未对晶粒大小产生影响; 薄壁结构沉积层的表面粗糙度、拉伸强度及显微硬度也并未因粉末的多次循环利用而发生显著的变化。四喷嘴同轴送粉激光熔化沉积中, 316L粉末可以进行一定程度的循环利用, 在循环5次范围内, 其加工的薄壁结构件的形性质量均未有明显变化。

同轴送粉喷嘴是激光金属增材制造系统装备的核心部件之一,直接影响着激光增材制造零件的成形精度及性能。因其重要性,国内外学者们已开发出多种新型送粉喷嘴。简要从“光外送粉”和“光内送粉”两种光粉相对位置不同的送粉方式概括了国内外对同轴送粉喷嘴的研究,并从激光束和粉末束是否可变焦的角度进行了分析,指明了现有同轴送粉喷嘴的特点,对未来同轴送粉喷嘴的发展进行了展望。

为了设计一种适用于大功率的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴, 采用FLUENT软件中的离散相模型, 对送粉喷嘴的送粉道在不同倾角和不同出口间隙条件下的粉末汇聚特性和浓度分布特性进行了研究。分析了其它条件不变时, 外层保护气流速对粉末汇聚的影响, 得到了较优的结构尺寸, 并利用设计研制的宽带同轴送粉喷嘴装置, 进行了送粉和熔覆实验。结果表明, 宽带激光同轴送粉喷嘴的焦点浓度在汇聚中心的径向和轴向都近似服从高斯分布; 随着倾角的增大, 出口间隙对焦距的影响也越来越大, 且出口间隙越小, 焦距越大; 当倾角为70°, 出口间隙为3.5mm时粉末汇聚性较好, 粉末利用率较高; 在其它条件不变时, 外层保护气体流速过大或过小均不利于粉末汇聚, 当外层保护气体流速略小于载气速率时, 送粉喷嘴的粉末汇聚特性最佳。表面熔覆质量达到了预期要求, 验证了该结构的合理性。所设计的宽带同轴送粉喷嘴对后续宽带激光熔覆的研究与应用具有重要意义。

采用同轴送粉法进行了W-Cu复合粉末的激光熔覆实验, 研究了不同工艺参数对单道熔覆层几何特性和颗粒分布的影响, 提出了有效质量能量密度(k)概念。结果表明, 在单道熔覆实验加工体系下, 熔覆层的散逸能量密度约为3.5×10-3 kJ·mm-2。在一定加工条件下, 熔覆层中存在有效质量能量密度临界值(k′), 当k＞k′时, 熔覆层中可以形成稀释区; 随着k值的减小, 熔覆层内的W颗粒发生团簇→均匀分布→沿熔覆层边缘分布→“W包Cu”不同状态的变化。单道多层熔覆时, k值受单道熔覆层形状的影响较大, 熔覆层宽高比越小, 实际的k值和试样的相对致密度越小。

作为金属粉末激光快速成型技术中送粉系统的关键部件之一, 送粉喷嘴的送粉效率直接影响金属粉末激光快速成型的效率和精度。国内外对此领域都进行了深入研究, 并研制出多种新型送粉喷嘴, 其中同轴送粉喷嘴能有效提高金属粉末的熔覆效果和利用率。详细介绍了同轴送粉喷嘴的送粉原理及国内外研究现状, 分析及总结了影响光粉耦合效果和粉末利用率的主要因素, 并提出了改进方法。针对激光聚焦、粉末偏聚和反弹、冷却效果不佳等缺陷提出了改进措施, 并对同轴送粉喷嘴的应用前景进行了展望。

在激光沉积制造时, 粉末汇聚性是保证成形质量的关键因素。为了改善粉末的汇聚性, 采用气固两相流理论对载气式同轴送粉喷嘴纵吹气帘气压力大小对粉末汇聚性影响进行了数值模拟, 应用FLUENT软件中的离散相模型计算了粉末流场速度和浓度分布规律及汇聚特性。模拟结果表明, 纵吹气压力较小(0.3 MPa)时会导致粉末流充满整个流场域, 汇聚性极差; 气压力较大(0.7 MPa)时同样粉末汇聚性较差, 影响沉积制造成形质量; 气压力为0.5 MPa时汇聚性良好, 且在焦点到焦点以下10 mm的汇聚区进行激光沉积制造能形成较好的熔池, 成形质量较好同时提高了粉末利用率。试验结果验证了模拟结果的合理性, 数值模拟结果对同轴送粉喷嘴设计和结构优化具有较大的参考价值, 并解决了现有喷嘴粉末汇聚性较差问题。