同轴送粉喷嘴作为激光熔覆系统中的关键设备,因其能实现在载气流的作用下熔覆粉末与激光束同轴输出,具有加工效率高,熔覆层各向同性好,易于自动化控制等显著优点,目前已经成为激光熔覆材料供给设备的研究热点。本文针对目前同轴送粉喷嘴普遍存在的粉流汇聚形态不易控制,汇聚效果不理想,激光熔覆质量差等问题,进行了送粉喷嘴流场分析、结构优化和试验研究。基于欧拉双流体模型对三维条件下同轴送粉喷嘴的粉末流场进行了仿真模拟,并研究了载气流量和送粉量对粉末流场的影响。结果表明,粉末流由喷嘴喷出后,在喷嘴下端逐渐汇聚,焦点位置粉末浓度达到最大,粉流直径达到最小;为了获得合适的粉末流,确定了载气流量不小于9 L/min,送粉量不超过7.5 g/min的送粉工艺参数范围。采用响应面回归分析法以及中心复合试验方案对喷嘴主要结构参数进行了试验研究,并对其进行了显著性分析和回归拟合,得出了对粉流形态具有显著影响的一次项、二次项和交互项,最终建立了喷嘴结构参数与粉流形态特征间的数学回归模型。为了改善粉流汇聚效果,对喷嘴结构进行了优化设计,得到了喷嘴结构的最佳参数组合,即 θ=62.94°、w=1.00mm、r=5.83mm、λ=3.00°。针对优化前后的送粉喷嘴进行送粉试验,通过提取图像灰度,分析了优化前后粉末流的浓度分布情况并对仿真结果进行了验证。结果表明,优化后的送粉喷嘴粉流束腰直径降低了 39.4%,焦点深度降低了 46.4%,优化效果明显。仿真与实验结果误差均在10%以内,总体比较接近,说明仿真结果具有一定的准确性。采用优化后的同轴送粉喷嘴进行单道激光熔覆试验,顺利获得了单道熔覆层,研究了主要工艺参数对熔覆层几何形貌及稀释率的影响,并选取了一组合适的工艺参数进行熔覆试验,获得了具有良好几何形貌和合适稀释率的单道熔覆层,表明优化后的同轴送粉喷嘴具有良好工作性能,可以满足激光熔覆要求。