激光熔覆快速成形LCRM(Laser Cladding Rapid Manufacturing)是激光熔覆技术与快速成形技术的结合,它综合了激光熔覆与快速成形技术的优点,成为目前先进制造技术的一个重要研究方向。目前此项技术中成形所采用送粉方式多为多粉管光外侧向同轴送粉。光外侧向送粉成形有一些不足之处,其激光束与粉末耦合性差,成形件表面较粗糙,热作用效率低,成形高层高精度零件比较困难,金属粉末利用率只能达到20%～30%。本文采用一种新的光内同轴送粉成形工艺,重点对光内送粉的光、粉耦合及高层堆积技术进行研究。光外送粉与光内送粉的本质区别在于激光光路与金属粉末的耦合方式以及输送变化。本文分析了光内送粉光束与粉末的耦合与输变,并与光外送粉方式进行了比较。分析表明,光内同轴送粉具有光斑能量分布可调,可达到光、粉最佳耦合状态;粉束细小利于精密加工;粉束在垂直下落过程中吸热效果好,激光能量利用率高,粉末飞溅少,环境污染小且粉末利用率大大提高;工件表面未熔颗粒少,利于提高表面质量等诸多优势。在激光熔覆制造过程中,高功率激光作用下的金属粉末流中存在能量、动量和质量输送物理过程,它们直接决定激光制造零件的尺寸、精度和性能。本文对光粉耦合过程中金属粉末颗粒的温升进行了计算建模,得出粉末颗粒的温升与在光束中运动的时间长短及粉末颗粒大小有关,根据试验时具体参数,计算出了粉末颗粒的温升。利用研制的光内同轴送粉喷头,辅以适当的层高控制及温度控制方法,进行了高层柱形和锥形薄壁回转件的堆积试验。得到了高度为124mm、厚2.2mm,表面粗糙度近6.3μm的圆柱薄壁件和高度为54mm、厚2.5mm,倾斜角为12.5°的圆锥薄壁件。与光外同轴送粉成形工艺相比,新型送粉喷头的使用性能和工艺性能具有明显的优越性。成形件表面粗糙度低,无未熔化颗粒,表面精度和尺寸精度都得到很好保证。最后对成形件的力学性能、硬度等进行的测试结果表明:成形件组织致密无缺陷,硬度高且均匀,抗拉性能良好。