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。

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。

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。

送粉喷嘴作为送粉系统的关键部件之一, 直接影响着激光熔覆的效果。随着激光熔覆技术的发展, 国内外对送粉喷嘴进行了深入研究, 研制出了多种新型送粉喷嘴, 都有效地提高了熔覆效果和粉末的利用率。简要概括了国内外对于同轴送粉喷嘴的研究进展以及送粉原理, 分析了现有同轴送粉喷嘴现状, 指出了现有送粉喷嘴存在的不足, 提出加强送粉喷嘴的设计是加速送粉激光熔覆发展的关键问题之一, 并对同轴送粉喷嘴的前景进行了展望。

建立了激光熔覆同轴送粉喷嘴的载气-粉末两相流场计算模型，三维模型考虑了进粉管和粉末腔对粉末输送的影响。分析了三维状态的载气分布情况，揭示了粉末在不同粉末腔结构的同轴送粉喷嘴内碰撞与运动规律，以及粉末喷射汇聚情况;针对可调式同轴送粉喷嘴的调节性能进行了分析，依据分析设计了一种可调式同轴送粉喷嘴。计算结果表明，改变粉腔直径、高度及内壁倾角长度对粉末离开喷嘴后的发散程度略有影响，对粉末汇聚稳定后的浓度和粉末焦点半径影响较小;调节同轴送粉喷嘴的锥体相对位置，可以实现粉末焦点相对激光束的垂直位置调节。

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。

为了解决激光直接制造金属零件中同轴送粉喷嘴气体保护效果不佳的问题，采用烟雾流动显示技术对喷嘴保护气体流场进行了研究。系统研究了喷嘴保护气流速率、喷嘴出口距零件表面距离、喷嘴移动速率和侧风速率对气体保护效果的影响。结果表明，随着喷嘴保护气流速率的增加，保护范围先增加后减小；随着侧风速率和喷嘴移动速率的增大，气流轴线偏离喷嘴轴线距离增大；当侧风速率超过喷嘴气流速率50%，距喷嘴出口10mm处，气流完全偏离喷嘴轴线，完全失去对金属熔池的保护。这一结果为选择合适的喷嘴气流参量提供了依据。

为解决飞机结构损伤激光在线快速修复过程中同轴送粉喷嘴气体保护效果不佳的问题,利用粒子图像测速(PIV)、烟雾流动显示技术和Fluent软件对喷嘴保护气体流场进行了研究。系统分析了喷嘴气流速度变化、侧吹气流速度对喷嘴气体冲击射流场的影响。结果表明,当喷嘴三个喷口气流速度接近一致时,湍流扩散区消失,流场稳定。当喷嘴中心气流速度小于外环气流速度时,工件表面出现旋涡,破坏了流场的稳定性。侧风对喷嘴气体保护范围影响较大,随着侧风速度增大,气流轴线偏离喷嘴轴线距离增大。当侧风速度超过喷嘴气流速度50%时,喷嘴保护气流混入空气,完全失去对金属熔池的保护。