激光熔覆成形技术是近年来发展起来的一种新型的先进制造技术。该技术集快速原型制造技术及激光熔覆表面改性技术于一体,可实现三维近终形全密度金属零件的直接制造而无需工模具,具有广阔的应用前景。本文采用有限元数值模拟、试验研究和理论分析相结合的方法,对激光熔覆成形瞬态温度场、组织特征、开裂机理和裂纹控制技术等进行了系统的研究,对于减少和消除激光熔覆成形裂纹、促进该技术在我国的发展和应用具有一定的理论价值和实际意义。　　 采用参数化编程建立了送粉激光熔覆成形三维瞬态温度场有限元模型并对其进行了较为全面的数值模拟研究,得到了激光熔覆成形过程温度场分布、温度梯度及冷却速率的变化规律。模拟结果表明,激光熔覆成形具有极高的温度梯度和冷却速率,分别达到105-106℃/m和103-104℃/s。熔覆层和基体上点的温度场呈周期性的动态变化,不同位置的点表现出不同的热循环特征,熔覆层两端温度较高,具有明显的“端部效应”。通过模拟获得了同一熔覆层内和成形零件不同高度节点的温度时间历程曲线、温度分布、冷却速率以及不同方向的温度梯度变化趋势;研究了激光功率和扫描速度对熔覆层冷却速率特别是熔池固液界面冷却速率的影响,为激光熔覆成形组织和裂纹形成机理的研究提供了理论依据。在激光熔覆成形温度场模拟中引入激光输入能量调节策略,以获得均匀的温度场,提高激光熔覆成形质量,减小熔覆开裂倾向。　　 对激光熔覆成形316L不锈钢组织特征进行了系统的试验研究,采用温度场数值模拟结果和快速凝固理论对其形成机理进行了分析。激光熔覆成形316L不锈钢组织主要由生长方向和长度不一的细长柱状树枝晶组成,柱状晶/等轴晶转变CET组织形态选择模型分析表明,在每一熔覆层顶部的类等轴晶组织实际为几乎平行于扫描方向生长的转向柱状晶组织,转向层厚度随激光功率的增加和扫描速度的减小而增加,在适宜的工艺参数下,可得到完全外延生长的组织。熔覆层组织细小、致密,树枝晶平均一次臂间距在6-15μm之间。熔覆层成分分布较为均匀,沿着树枝晶生长方向和垂直于晶轴方向的组织偏析都很小。熔覆层与基体之间以及熔覆层之间呈冶金结合,无明显的气孔和裂纹等缺陷。　　 通过对激光熔覆成形开裂试验现象和熔覆层宏观形貌观察,OM、SEM显微组织观察,EDX成分分析及XRD物相分析等手段,结合温度场和应力场数值模拟结果对激光熔覆成形开裂行为和裂纹形成机理进行了系统深入的研究,提出了激光熔覆成形开裂的判据,为激光熔覆成形裂纹的控制提供了理论依据。研究结果表明,激光熔覆成形裂纹与合金粉末的成分、材料自身的物理特性、凝固特性及凝固组织等密切相关,不同材料表现出不同的开裂特征,裂纹的形成机理也有所不同。激光熔覆成形裂纹是组织应力、热应力及拘束应力综合作用的结果。平行于扫描方向的拉应力及应变值最大,故多数裂纹垂直于扫描速度方向扩展。激光熔覆成形裂纹主要有热裂纹和冷裂纹两种。凝固过程晶间液膜分离、熔覆层低塑性是开裂的充分条件,而熔覆层拉应力是裂纹形成的直接因为。裂纹的萌生和发展是由于熔覆层的内应力超过材料的塑性储备而产生的。　　 提出将超声振动引入激光熔覆成形过程并研究了其对激光熔覆成形组织和裂纹的影响。通过超声振动减少缩孔和气泡,改善并均匀化激光熔覆成形组织,降低残余应力,有效降低了熔覆层开裂几率。通过基体预热和保温缓冷处理降低熔覆层温度梯度和熔池边缘的冷却速率,从而减少裂纹的产生；提出通过基体材料的优选和合金粉末的匹配、引入过渡层、添加稀土元素等来提高粉末材料的塑韧性和抗开裂能力、净化晶界和改善激光熔覆成形组织,减少开裂倾向,试验表明稀土最佳含量为0.4％-0.8％。同时,通过激光功率密度、熔覆层厚度增量和搭接率优化调节以及熔覆成形环境改善等策略的实施,均匀化激光熔覆成形温度场、降低熔池固液界面的冷却速率、减少裂纹源,达到控制激光熔覆成形裂纹的目的,并获得了基本无缺陷的激光熔覆成形零件。　　 在激光熔覆成形组织特征和裂纹控制技术研究的基础上,进行了V形槽的激光熔覆成形修复重建和梯度功能修复模拟试验,采用优化的试验参数和方法实现了扇形板零件的激光熔覆成形修复。