三元扭曲叶片多存在于航空航天发动机、船舶燃气轮机和离心压缩机的叶轮中,此类叶片具有大倾角、大扭曲等复杂结构特征,叶片厚度薄,流道之间距离窄。目前主要由数控电火花加工、数控铣削、精密制坯和精密焊接等技术加工而成,加工过程中材料去除量大且加工周期较长。激光熔覆成形是一种新型金属增材制造技术,具有制造无模具、高效、成形零件复杂、综合性能优良等优势。本文针对激光熔覆成形三元扭曲叶片实验过程中现存的难点展开研究。本文采用实验室自主研发的“光内送粉”喷头,首先改进喷头内实验室常用的紫铜喷粉管,使用复合喷粉管,减小了粉束发散角,提高了粉末利用率。阐述了激光内送粉偏焦熔覆喷头实现中空环形光斑的原理,建立了负离焦下中空倒锥形激光束能量分布模型,环形光斑扫描时呈现的能量分布为马鞍形,更适合熔覆成形。曲面熔覆时对倾斜熔池进行受力分析,为减小曲面熔池的偏移量,应该降低熔覆层的高度,所以熔覆时适当提高熔覆喷头的扫描速率,减少激光与粉末的单位时间内耦合数量,使熔池以更快的速率凝固。建立熔覆喷头的提升量模型,得到喷头提升量与实际沉积高度之间的数学关系,计算出提升量为实际熔道沉积高度的2/3时,曲面单道能够持续熔覆,叶片两侧面粗糙度较低,有效缓解了台阶效应。建立曲面熔道不同截面高度的成形函数,计算出三元扭曲叶片不同区域的扫描速率,实现叶片高度的平滑过渡,叶片不等高区域的成形质量较好。分析曲面熔道与基体出现开裂的原因,通过将基体预热至400℃,并且在实验过程中对其持续保温,有效地解决了成形过程中的开裂问题。针对三元扭曲叶片大倾角、大扭转的薄壁结构特征,在曲面基体上提出流线分层,采用沿主基面径向圆弧的切平面切片、再将单个熔覆层等分为若干个分割单元,并计算出各分割单元熔覆时的空间角度与位置,将这些参数信息导入运动系统中,使用KUKA示教器将系统工具坐标系与流线分层设定的坐标系相关联,即可得到KUKA机械臂熔覆时的运行路径,再根据叶片不同区域的不同特征匹配相应的熔覆工艺,完成三元扭曲叶片与叶轮的熔覆成形。对三元扭曲叶片进行检测:成形件表面平均粗糙度值在4.065 μm以内,粗糙度较低;叶片平均厚度为5.97mm,尺寸的相对误差为-1.4%～1.03%,扭转角度误差为-4.67%,成形精度较高;随着成形件高度的增加,激光熔池处的热积累明显,显微硬度略微降低,显微组织略微增大,成形件显微硬度在348.3～360.4 HV之间,金相组织整体致密均匀,无明显的孔洞或裂纹缺陷。