激光直接金属沉积成型技术能够直接实现三维零件的制造与再制造。送粉喷嘴作为粉末传输的关键部件,直接影响粉末的传输与沉积成型质量。为改善成型质量与优化喷嘴结构,本文首先研制开发了新型双重环式同轴喷嘴,然后基于气固两相流理论,系统开展了喷嘴气体动力学特性、粉末传输特性、光粉耦合特性及沉积成型的数值模拟与实验研究。重点研究了喷嘴内粉末颗粒的碰撞行为、粒子轨迹与速率分布,喷嘴外粉末射流结构与汇聚特性。探讨了喷嘴内粒子运输行为特性、喷嘴外粉末射流结构与沉积成型特征三种直接的内在关联性。主要结论如下:(1)研发了新型双重环式同轴喷嘴,该喷嘴可根据功能性可分为四部分,彼此间依靠螺纹连接。其中,内部两部件呈中空状,包含激光束通道。外部件分上、下两部分,上部件包含四路柱状粉末流通道,下部件包含冷却水循环通道,且与内部件配合间隙形成环状粉末流通道,整体呈锥度下降。通过3D模型制造出喷嘴实体,同时应用气固两相流理论建立粉末流传输模型,并将数值计算所获得的粉末流形态与实验图片相对比,吻合度较高。(2)研究了粉末颗粒的碰撞行为对粉末传输的影响。结果表明,粉末颗粒间动量损失的存在(Kn=0.9),可提高喷嘴外粉末流的汇聚性,具体表现在粉末流汇聚柱状区颗粒轨迹密度较大、浓度曲线峰值较高和径向浓度分布均匀几个方面;可使得粉末颗粒轨迹速率曲线整体离散程度减小。同时,碰撞是轨迹速率曲线出现“跃迁”现象的原因,其频率与送粉率成正比,其方向、跨度主要由粉末颗粒发生反弹时其速度方向与气体速度流线方向夹角决定,夹角小于90°是呈现出向上“跃迁”,夹角大于90°时出现向下的“跃迁”,夹角越接近0°或180°时,“跃迁”的跨度越大。(3)研究了载气流量、送粉率对粉末传输的影响。结果表明,随着载气流量的增大,喷嘴内粉末颗粒轨迹速率曲线呈增加趋势且集中性更强,有利于粉末流的稳定性,喷嘴外粉末流的汇聚整体出现上移现象,峰值浓度先增加后减小。其中,浓度减小是由于“双峰”现象产生的;送粉率对粉末流的影响主要体现在浓度分布上,对粉末流形态影响较小。当送粉率逐渐增至3.6 g/min时“双峰”峰值均达到最大,约3 kg/m~3,若继续增大送粉率会导致粉末流出现发散现象,使得浓度峰值下降。(4)研究了粉末流汇聚区间与激光聚焦光斑的空间几何关系以及光斑内粉末流的耦合状态。结果表明,当载气流量为2.0 L/min时,粉末流汇聚区间位于激光聚焦平面之下,光斑内径向浓度为“M”状分布;当载气流量增至3.0 L/min时,出现汇聚上移现象,使得光斑内径向浓度呈“山”状分布;当载气流量为4.0 L/min时,激光聚焦光斑位于粉末流汇聚柱状区内,光斑内径向浓度呈现出高斯分布。(5)研究了载气流量、送粉率对沉积成型特征参数变化的影响。结果表明,保持载气流量不变,随着送粉率的增加,沉积层高度和接触角增大,宽度略有变化趋于减小,利用率先增加后减低。其中,当送粉率为2.4 g/min时粉末利用率最高约为54.2%,送粉率为2.8 g/min时成型尺寸较好;保证送粉率不变,随着载气流量的增加,涂层高度、接触角先增大后保持不变,宽度先增大后减小趋于平稳。粉末的利用率在2.0～3.0 L/min的较小载气流量范围内,随气流的增加而线性增加。3.0 L/min至4.0 L/min的范围内,由于粉末流出现发散现象,粉末利用率从3.0 L/min时的0.45降至4.0 L/min时的0.43。