送丝激光熔覆成形方法具有材料利用率高、环境污染小、材料成本低、受空间环境影响小等优点,拥有广阔的发展前景,近年来在表面处理、增材制造等方面得到广泛应用。然而,“光外侧向送丝”激光熔覆成形方法存在光丝耦合精度差和扫描方向性等缺陷;“多光源光内同轴送丝”激光熔覆成形方法由多个激光光源组成,存在成形系统占用空间大以及使用成本和维护成本高等问题;“单光源光内同轴送丝”激光熔覆成形方法存在光丝干涉和光路转换系统复杂,带来能量有效利用率低等问题。国外对送丝激光熔覆成形技术研究早,技术积累多,有部分送丝激光熔覆技术已经实现产业化应用。而国内对该技术研究起步较晚,处于研究探索阶段,与国外依然存在一定的差距,制约了我国在该领域的快速发展。目前急需提出一种可以解决现有送丝激光熔覆成形技术问题新方法,打破国外技术垄断,掌握送丝激光熔覆成形核心技术,提高我国金属增材制造产业的竞争力。本文提出“三光束光内同轴送丝”激光熔覆成形新方法:采用三棱镜和聚焦镜将激光束分离以及聚焦,实现光、丝同轴布置。采用光线追迹方法优化并确定喷头内部光路转换系统结构参数,自主研制出核心部件熔覆喷头。构建了“三光束光内同轴送丝”激光熔覆成形系统,其特点有:可以实现光、丝精确耦合,避免扫描方向性、光丝干涉和光路转换系统复杂引起能量利用率低等问题。采用光学软件Tracepro建立光斑能量分布热源模型,通过ANSYS Workbench建立光斑与基材相互作用有限元数值仿真模型,重点研究不同离焦量光斑形貌和能量分布特性以及熔池变化规律。研究表明:离焦量增大,光斑尺寸R1、R2增大,能量密度qm减小。熔池形貌由离焦量为0mm时的单个类高斯光斑形成单个类圆形波谷状熔池,离焦量-1mm时的三光斑部分重叠的类高斯光斑形成内凹圆形三角形左偏置和扁平波谷状熔池,离焦量为-2mm和-3mm时均匀分布的三个独立类高斯光斑形成三个类圆形波谷状熔池。建立光丝耦合模型,研究工艺参数对熔覆层表面形貌影响。结果表明:负离焦光斑能量分布比较均匀,相比正离焦具有更高容差能力和较大工艺窗口,更容易获得较高质量表面形貌的熔覆层。选择离焦量-2.5mm,工艺参数变化对熔覆层表面形貌影响工艺窗口为:E1/E2＜1,熔覆层表面主要呈“残缺”状,局部有“粘丝”现象或熔覆层表面有“凹陷”状;1.1≥E1/E2≥1,熔覆层局部区域有“凹陷”状;1.5≥E1/E2＞1.1,熔覆层表面连续光滑平整;E1/E2＞1.6,熔覆层表面主要呈“熔滴”状或“凹陷”状。通过ANSYS Workbench建立单道熔覆层有限元数值仿真模型,研究工艺参数对熔池温度场、熔覆层几何特征以及显微组织的变化规律。离焦量影响结果是:离焦量为-2.5mm,温度场曲线为山峰状,稀释区能量分布相对均匀,典型稀释区形貌为平底状和双波谷状;离焦量为-1.5mm,温度场曲线为尖顶状,稀释区能量分布比较集中,稀释区形貌为单波谷状。离焦量为-2.5mm和-1.5mm的典型晶粒形态为柱状晶、胞状晶和树枝晶。离焦量为-1.5mm的平均硬度比离焦量为-2.5mm时高出20HV0.5。工艺参数对熔覆层几何特征影响规律是:离焦量、激光功率和送丝速度与熔宽成正相关,扫描速度与熔宽成负相关。离焦量、激光功率和扫描速度与熔高成负相关,送丝速度与熔高成正相关。离焦量、扫描速度和送丝速度与熔深成负相关,激光功率与熔深成正相关。通过研究丝材与光斑之间能量分配关系,建立工艺参数与熔覆层几何特征之间的修正模型。修正模型相比理论模型的预测精度有显著提高,熔覆层宽度平均误差由理论模型的17.2%降低到修正模型的4.09%;熔覆层高度平均误差由理论模型的13.74%降低到修正模型的3.76%。采用光丝耦合模型、熔覆层几何特征预测模型以及直壁墙数值仿真模型,确定直壁墙成形件工艺参数。直壁墙成形过程稳定,表面形貌光滑完整。尺寸误差较小,内部组织比较均匀,无明显缺陷。硬度波动较小,成形件力学性能优于基材,断口呈韧窝状分布,具备优良的拉伸性能。同时,采用该成形系统成功实现圆环件、扭曲件以及方块实体零件成形堆积工作,为后续工程化应用奠定基础。本文开展“三光束光内同轴送丝”激光熔覆成形方法和机理的研究,对丰富送丝激光熔覆成形理论方法体系,促进激光增材制造领域技术进步具有重要意义。