送粉喷头是实现定向能量沉积技术（Directed Energy Deposition,DED）的重要零部件之一,送粉喷头的结构决定了粉末流的汇聚效果,影响沉积层的尺寸精度和力学性能。目前的多孔同轴送粉喷头或者环形同轴送粉喷头存在加工困难、粉末流发散角大及汇聚焦点无法调节等问题。本文基于空气动力学透镜提出一种可以线性聚焦的新型送粉喷头设计,研究了该新型喷头对粉末颗粒的聚焦性能,以及该喷头输送的粉末流与激光束的相互作用。首先,设计了基于空气动力学透镜送粉喷头的结构。对于其中关键部件空气动力学透镜进行了理论模型分析,探究了透镜聚焦颗粒的原理以及斯托克斯数对颗粒汇聚性能的影响。结果表明过小的斯托克斯数无法对颗粒产生有效聚焦,而过大的斯托克斯数会导致颗粒过聚焦反而形成发散。随后,建立粉末颗粒的运动模型对空气动力学透镜的粉末聚焦性能进行了研究。应用于送粉喷头中的空气动力学透镜,其第一节孔径大小、孔径收缩率和送粉角度是影响送粉喷头粉末颗粒聚焦性能的主要参数。通过Fluent模拟计算粉末颗粒在不同参数组合的透镜中运动轨迹,采用正交试验法选取最优参数为:透镜第一节孔径为18 mm,孔径收缩率为0.7,粉末入射角为4.4°。该透镜输送的粉末流在距离出口10 mm和20 mm处的半径分别为1.61 mm、1.55 mm,实验测试结果与计算结果基本一致。研究发现降低孔径收缩率可以提升粉末颗粒的聚焦性能,过大的送粉角度会使得粉末颗粒在透镜内过早汇聚而导致发散,第一节孔径大小对粉末颗粒的聚焦性能影响最小。进而,根据该新型喷头的送粉特性,建立了粉末流的分布模型,研究了激光束与粉末流的相互作用。通过上述对粉末颗粒运动的计算,得到了粉末颗粒在空间中的浓度分布;使用Lambert-Beer定理和Mie理论,计算了在不同位置处粉末颗粒对激光束的削减;通过热平衡原理计算了激光束对粉末颗粒的升温。同轴送粉时,通过优化结构缩短送粉喷头自身长度后喷头中无熔化颗粒,喷头出口10 mm处绝大多数的粉末颗粒聚集在长5 mm宽3 mm的范围内。旁轴送粉时,计算了不同送粉角度、送粉距离和送粉速率对激光束能量的削减以及粉末颗粒温度分布的影响。增大送粉角度会提高粉末颗粒整体的温度;延长送粉距离和提高送粉速率会降低粉末颗粒整体的温度,并使得粉末流更集中于激光光斑中心位置。同时计算了不同送粉条件下加工基板表面激光能量强度分布,同轴送粉时不同的粉末流分布对激光能量分布有较大影响;旁轴送粉时粉末进给侧激光能量明显低于另一侧,且激光能量强度峰值降低。最后,使用基于空气动力学透镜的送粉喷头进行定向能量沉积实验,结果表明在使用该喷头进行旁轴送粉时,送粉角度为70°时比45°时的沉积层的效果更好,送粉角度为70°、距离为20 mm时,提高送粉速率可以提高沉积层厚度,加快扫描速度使得沉积层宽度变窄。当该喷头用于同轴送粉时与嘉强AK390送粉喷头进行了定向能量沉积对比试验,对比两种喷头在加工距离为7、10和15mm条件下形成的沉积层效果。实验结果显示基于空气动力学透镜的同轴送粉喷头在多个加工高度均可成形质量良好的沉积层,比AK390送粉喷头拥有更高的粉末利用率和灵活性。