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针对YSZ热障涂层使用过程中产生裂纹及与基体结合不劳的问题,激光熔覆纳米YSZ@Ni核壳粒子是解决这一问题的有效途径。然而激光熔覆是一种快热快冷制备技术,其温度变化对涂层组织和性能影响显著,在其快速冷凝过程中产生较大残余应力,会导致熔覆层出现裂纹。然而,激光熔覆过程中的温度场与应力场的变化很难通过试验手段实时检测。本文借助ANSYS软件模拟激光熔覆制备YSZ热障涂层过程中的温度场和应力场,并分析其分布规律,来探讨熔覆层的熔凝行为和热障涂层的裂纹形成机理。首先,模拟并分析了激光预置熔覆纳米YSZ@Ni粒子的温度场,对比实验和模拟的熔池尺寸,所构建三维模型在深度方向和宽度方向上的误差分别为0.68%、4.5%,其中在深度方向上精度较高。在激光束扫描过程中温度场形貌类似勺型,熔池前端等温线密集,温度梯度大;熔池后端等温线稀疏,温度梯度小。对比不同方向和距离的温度分布曲线,发现被测点最高温度出现滞后现象,并且距离光斑中心越远滞后现象越明显。正交实验的模拟结果表明工艺参数(扫描速度V、激光功率P、光斑直径d)对熔池尺寸(宽度、深度)的显著性影响变化规律为P>V>d;工艺参数对峰值温度显著性影响变化规律为P>d>V;工艺参数对能量利用率显著性影响变化规律为V>d>P。其次,基于激光预置熔覆(YSZ@Ni、YSZ/Ni、YSZ)三种不同粉末的温度场模拟结果揭示了熔覆层的熔凝行为。通过模拟计算熔池凝固前沿的温度梯度、冷却速度以及固液界面推移速率发现从熔池底端到顶端依次出现平面晶、胞状晶、粗大的树枝晶以及表面细小的等轴晶。凝固时的冷却速度顺序为εYSZ@Ni>εYSZ/Ni>εYSZ,所得熔池晶粒尺寸大小为YSZ@Ni<YSZ/Ni<YSZ。由峰值温度结果可知激光熔覆YSZ、YSZ/Ni粉末出现过烧现象,YSZ涂层不连续,涂层厚薄不一,与基体的粘结层处参差不齐,出现裂纹、气孔等缺陷,而YSZ@Ni核壳粒子制备的涂层组织均匀,连续性好。相比YSZ和YSZ/Ni粉末的激光熔覆结果,YSZ@Ni的熔池尺寸最小,稀释率最低,且元素扩散结果表明其粘结层处元素成分更接近基体,故YSZ@Ni所制涂层与基体冶金结合较好,不易脱落。最后,基于热应力耦合模拟结果探索了涂层的裂纹形成机理。发现激光熔覆之后由于熔池材料冷却收缩,熔覆层呈现拉应力状态,并且两端应力较大,激光熔覆之后试样会向上翘曲。基体与YSZ涂层的粘结层处在X方向拉应力最大,容易产生与扫描方向相垂直的横向裂纹,且裂纹产生是由于塑性应变引起的。比较分析纳米YSZ,YSZ/Ni、YSZ@Ni粉末的应力场结果得出同种工艺下粘结层处在激光熔覆过程中最大应力YSZ>YSZ/Ni>YSZ@Ni,热稳定区域粘结层处的等效塑性应变YSZ>YSZ/Ni>YSZ@Ni,故激光熔覆YSZ粉末产生裂纹的可能性最大,YSZ@Ni核壳粒子产生裂纹可能性最小。