在金属材料同步送粉激光熔覆直接成形制造工艺中，激光束与粉束的耦合是关键技术，光粉耦合喷头是其关键器件。本项目提出了中空激光光内送粉新方法，并开展这种耦合方式下光、粉、气相互作用机制与效应研究。. 研制了适合不同激光源的系列中空光光内送粉喷头，设计了光束变换镜组并对其面型进行了优化。聚焦点为实心光斑，最小光斑直径0.3mm，不同聚焦角的镜片可在不同离焦量处得到不同占空比、光能均布对称的环形光斑；粉束细、挺、准、直，离焦波动影响很小，有效耦合区间加大；包围粉束设计了准直气帘，实现了光、粉、气共轴精确耦合，建立了光、粉、气耦合模型。进行了熔覆过程瞬态温度场模拟，环形光扫描辐照下扫描线宽方向能量呈鞍形分布。当占空比增大，熔池横截面上会出现熔体的左右对称双对流漩涡环。研究得出不同占空比和不同工艺参数匹配的有效区间，建立了熔道宽高比与各工艺参数的关系模型。进行了各种三维加工熔覆和实体堆积，分析了成形机理，建立了构型预测模型和光内送粉薄壁成形工艺模型。光粉几何耦合精度的提高和光鞍效应促进了热耦合效果的提升。粉末发散和光能浪费大大减少，粉末沉积率达到60%—80%。成形表面喷洒粘附的粉末未熔颗粒显著减少，成形表面粗糙度大大降低，熔道缺陷减少。熔道间为完全冶金结合，熔覆组织细小、均匀、致密。. 研究期间发表论文25篇，其中SCI收录5篇、EI收录22篇；依托课题指导研究生学位论文15篇；获授权专利19项，其中发明专利4项。光内送粉新方法已在国内外产生较大影响，光内送粉喷头与技术已在一些国内外企业得到应用。研究丰富了激光与材料相互作用理论，为中空激光光内送粉制造新技术、新装置提供理论基础，促进了激光增材制造的优质、精密、高效、节能和绿色化。