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。

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。

激光同轴送粉头喷出的粉末汇聚和分布特性直接影响激光制造的质量和精度。研究了同轴送粉时粉末分布规律和汇聚情况，提出了同轴送粉式粉末分布理论模型，开发了一种粉末流场检测系统，对喷嘴喷出的粉末汇聚情况和分布形貌进行了实时检测，结果表明，计算结果与实验测量结果比较吻合。通过系统观察和分析粉末流的汇聚和分布的实时变动行为，有利于更好地优化设计送粉头和控制激光制造过程。

为研究同轴送粉熔覆中YAG激光束与粉末流的相互作用机理, 采用CCD检测技术, 对不同功率、不同送粉量下粉末流分布进行检测, 得到不同参数下粉末流的图像、灰度分布图和伪彩色分布图。结果表明: 随着激光功率增加, 粉末流图像由暗变亮, 最后到白炽状态, 其温度逐渐升高。激光功率400 W时, 随着送粉量的增加, 粉末流图像由暗变亮, 到一定程度后变暗。该检测结果可用于激光熔覆工艺优化, 提高熔覆的质量以及材料的利用率。

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。

应用FLUENT软件的离散相模块建立了激光熔覆中气体-粉末流的二维模型，研究了保护气和输送气流量及送粉量对粉末流浓度场和速度场的分布规律的影响以及对粉末流发散角和焦点的影响。计算结果表明：随着输送气流量的增大，粉末流速度增加，粉末流发散角逐渐减小；送粉量增加，焦点略微下移，焦点处粉末流浓度值增大。在相同的工艺参数下，使用单反相机拍摄粉末流分布，结果表明试验与计算结果基本吻合。

在同轴送粉激光熔覆过程中，粉末流是影响熔覆质量的重要因素。为了提高粉末流的汇聚性，考察粉末性质对粉末流场的影响，建立了同轴送粉激光熔覆粉末流数值模型。模拟计算了NiCoCrAlY、ZrO2、W三种典型粉末的粉末流形貌，并进行了粉末流的验证实验，实验结果与计算结果趋势吻合，说明模型具备合理性与可靠性。基于该模型，深入研究了粉末粒径、形状、密度和碰撞弹性恢复系数对粉末流汇聚的影响规律，在特定送粉工艺参数下，在粉末粒径增大时，汇聚焦距减小，汇聚浓度在一定粒径范围内达到最大值；在粉末形状系数或者密度增大时，汇聚焦距减小、汇聚浓度增大；在粉末颗粒的恢复系数减小时，汇聚焦距与汇聚浓度都增大。

激光立体成形(LSF)技术是一项基于同步送粉激光熔覆技术的先进增材制造技术。粉末流的输送对于沉积层的形成至关重要。通过建立载粉气流的湍流模型并基于粉末颗粒在气体湍流中的运动分析，采用数值模拟方法建立粉末流输送的数学模型，并利用Fluent软件进行求解，从而获得粉末流的质量浓度分布。将实验测量结果与模拟计算结果进行对比分析。结果表明，计算结果与实验测量结果比较吻合。对比粉末粒径范围为50~240 μm的粉末流和粉末粒径范围为65~75 μm的粉末流的模拟结果发现，在相同送粉工艺条件下，粒径分布范围不同则粉末流颗粒质量浓度有明显差异。

为了解决送粉激光熔覆系统中因重力作用发生偏聚及水冷效果差等问题，采用以激光束轴心为中心轴圆周均匀分布送粉孔的方法，设计了一系列孔式同轴送粉喷嘴（主要结构包括激光束通道、保护气体通道、水冷通道、气载送粉通道），从而获得良好的粉末流形态，提高送粉激光熔覆的质量。用该系列喷嘴在竖直（90°），60°，30°和水平（0°）等工况下进行粉末汇集性实验，发现粉末汇集效果良好。通过对Ti和Ni粉末、工具钢和等材料进行熔覆实验，送粉系统输送的粉末稳定、均匀，得到的熔覆样品表面光滑、熔覆层组织均匀，熔覆层与基体呈冶金结合。结果表明，孔式同轴送粉系统较好地满足了激光熔覆对送粉喷嘴的要求，并且能用来进行多种元素粉末的材料合成。所开发的送粉系统适用于材料表面改性和熔覆3维制造。

研制了一套低功率、便携、便宜、高精度的粉末流场检测系统,能对激光再制造中同轴送粉条件下金属粉末流浓度场进行检测,能适应激光机器人修复的需要。该系统主要包括532 nm,100 mW半导体激光器,片光透镜,CCD相机和检测分析软件。实验结果表明,该系统对金属粉末流浓度体积分布检测与理论计算结果有较好的一致性,能有效地指导同轴送粉嘴的设计和机器人在激光再制造中粉末流参数的测定。