激光金属增材制造以激光束为能量源,熔化金属粉末/丝材,是一种能够直接制造出高性能金属零件的先进制造技术。成形效率及成形精度一直是限制激光增材制造发展的两个主要因素,目前,通过采用光斑尺寸较小的高斯光斑,激光增材制造可以实现较高的成形精度,但成形效率较低。宽带矩形光斑可以实现较高的成形效率,为实现大尺寸粉斑,与宽带光斑配套的送粉喷嘴往往大多采用侧向送粉的方式,导致了宽带送粉的光粉耦合差,最终影响成形的精度。由此,无论是高斯光斑,还是宽带光斑都无法兼顾激光增材制造的成形效率与成形精度。本文针对这一问题,提出使用方形光斑作为激光源进行激光增材制造。方形光斑的尺寸为3mm×3mm,介于高斯光斑与宽带光斑之间,设计与之配套的送粉喷嘴能够实现同轴送粉,提高成形的精度。同时光斑尺寸大于高斯光斑,可以获得较高的激光增材制造效率。本文主要研究方形光斑下的成形效率,成形精度及成形件性能。选用的方形光斑属于平顶光,平顶光光斑内能量分布均匀,所以本文对其熔覆层的残余应力分布情况也展开了研究,主要研究内容如下:1.研究了同轴送粉喷嘴粉末流场的分布规律及结构优化设计。选取了粉末通道倾角,垂直高度,收缩角度以及出口间隙这四个结构参数,采用Fluent软件开展了模拟正交试验,以粉末流聚集浓度与聚集粉斑尺寸为优化指标,获得了最佳的结构参数（即垂直高度为30mm,收缩角度为5°,倾角为70°以及出口间隙为1.5mm）。依据此结构参数组设计并制造出聚焦成方形粉斑的同轴送粉喷嘴,并进行了实验验证,结果表明喷嘴满足设计要求。2.研究了工艺参数对单道熔覆层尺寸的影响。发现熔覆层高度与激光功率,送粉速率呈正相关,而与扫描速度负相关;熔覆层宽度与激光功率呈正相关,与送粉速率呈负相关,而受扫描速度变化的影响不大。开展三因素三水平正交实验,发现对于熔覆层宽度的影响次序为:激光功率＞扫描速度＞送粉速率。对于熔覆层宽高比,工艺参数的影响次序为:扫描速度＞送粉速率＞激光功率。以熔覆层宽度与宽高比为优化指标,得到了单道熔覆的最佳工艺参数为激光功率1500W,送粉速率15g/min,扫描速度 1 8mm/s。3.研究了单道熔覆层的温度场及应力场分布规律,发现熔覆层应力场主要体现为沿扫描方向（Y向）的拉应力;在熔覆层高度方向上,Y向应力沿高度方向逐渐增大并在熔覆层上表面达到最大值256.84Mpa;在熔覆层宽度方向上,应力场左右对称,Y向应力在熔覆层中心处应力最大,达到了 146.52Mpa。同时各方向应力在熔覆层中心区域均呈现“平台”效应,证明应力场分布相对均匀,应力变化平缓,体现出平顶光热源能量分布均匀带来的优势。同时对熔覆层残余应力的进行了测量,与模拟结果一致。4.对比研究了方形光斑与圆形光斑下成形件的效率、精度及性能。在多道熔覆实验中发现方形光斑比圆形光斑效率提高了 8.93%;通过薄壁件堆积实验,发现方形光斑成形件精度并不低于圆形光斑,尾端没有发生坍塌现象;通过成形件的拉伸实验,发现方形光斑的成形件抗拉强度与塑性均强于圆形光斑;通过熔覆层显微硬度实验,发现方形光斑的显微硬度值最大达到了 371.3HV,略高于圆形光斑。经过对比实验,表明方形光斑在平衡成形效率,成形精度及成形件的性能均更均衡。