钛合金具有比强度高、高低温性能以及耐腐蚀性好等优点,并在航空航天、医疗等领域有广泛的应用。针对目前应用惰性气体封闭箱进行钛合金增材制造中加工零件尺寸受到箱体限制、惰性气氛准备时间长以及设备移动不便等问题,本文提出了一种开放式局部惰气保护激光熔覆成形方法,自主研制了新型光内送粉和局部喷气一体化熔覆喷头,实现了在大气环境下直接进行钛合金材料的激光熔覆成形。针对激光内送粉喷头的结构特点,建立了一体式惰气喷嘴的流道模型和CFD计算模型,通过模拟结果中体积分数分布云图的对比,确定了垂直入口弧面流道的主保护喷嘴结构。利用Fluent软件对喷嘴出口气流的气体流动特性进行分析,将氧气浓度低于2000ppm的气氛定义为保护喷嘴的有效保护范围和长度。通过对比不同的喷嘴入口角度和数量下的气流有效保护长度,最终确定入口数量为4、入口角度为45°的内层主保护喷嘴的入口结构参数。采用内层主保护喷嘴进行大气环境下的钛合金单道熔覆试验,不同保护气流量下的单道氧化变色趋势与相应流量下的有效保护长度变化趋势一致。为了解决内层主保护喷嘴在进行纵向堆高时的保护失效问题,设计外层辅助喷嘴对拖尾高温区域进行保护,通过Fluent模拟中的有效保护长度和深度的对比,确定了小间隙直线流道的外层喷嘴结构。分析了平板拘束状态下双层局部喷嘴在不同流量下的有效保护长度,同时采用红外热像仪监测熔覆过程中的高温区域,并定义了喷嘴可进行有效保护的判定条件,即1/2有效保护长度大于熔池中心后方高温区域长度。应用双层局部保护喷嘴获得了光亮的纵向堆积成形件。为了定量地表征不同加工参数下的保护气体需求量,需要建立保护气体最小用量模型。首先通过Fluent软件确定18～50L/min总流量窗口区间内的内、外两层喷嘴的最佳分配关系,并建立了有效保护长度与气体流量之间的数学模型;然后应用曲面响应分析方法,建立了熔池后区高温长度与工艺参数之间的响应模型。最终根据上述有效保护的判定条件,建立开放环境下的单道激光熔覆保护气体最小用量模型,可根据加工参数指导气体流量的选用。采用本文研制的局部保护喷嘴进行开放环境下的钛合金成形实验,成形件微观组织随着保护气流量的增大呈现等轴状向条状、针状转变的趋势,当保护气体流量大于模型中的最小用量后,成形件表面呈现光亮的银白色,并且内部各处氧含量均低于2000ppm,成形件显微硬度相比于轧制基材提升20～50HV。拉伸试验结果显示开放环境下的钛合金成形件相比于基材,具有较低的延伸率和较大的拉伸强度,说明成形件塑性的下降和强度的提升。经过仿真分析和试验验证,本文应用研制的局部保护喷嘴实现了在大气环境下直接进行钛合金激光熔覆成形,具有实时性好、移动方便、加工零件尺寸不受限制等特点,为大型钛合金结构件的移动式现场增材成形和修复提供了技术支持。