目前重要零部件表面涂层技术主要有热喷涂、气相沉积、电镀等一些传统方法,其大多有与基体结合弱、易脱落、环境污染大等缺点。激光表面熔覆是近些年发展较快的一种表面改性技术,但效率偏低,近两年兴起的高速激光熔覆技术,其表面涂层制备效率可提高2～5倍。本研究采用自主研发的中空激光光内送粉熔覆喷头,在广泛使用的304不锈钢基体表面上熔覆高性能合金涂层,以代替传统表面改性技术。建立光路理论模型,分析了不同离焦量处的光斑直径及光斑能量分布;建立激光功率衰减模型,得到在正离焦激光熔覆时,不同的送粉速率下,激光被金属粉末颗粒遮挡的激光功率,并通过ANSYS仿真计算透过粉末的激光能量在基体表面形成的温升值;建立粉末温升模型,研究了粉末颗粒穿过激光束后的温升值。作为中空激光内送粉正离焦高速熔覆快速成形的理论基础。进行单因素实验、正交实验优化出最佳工艺参数,即:功率1850W、速度24m/min、离焦量+2mm、送粉速率16.8g/min、搭接率80%,在此最优工艺参数下,获得均匀饱满、无裂纹气孔、与基体冶金结合性好、表面平整的高质量熔覆涂层,涂层的厚度为285.71μm、效率为0.5 1m2/h、表面粗糙度为6.15μm。并从微观的角度,分析了熔覆层的物相成分和组织特征,熔覆涂层比传统激光熔覆层含有更多的Fe-Cr固溶体、(Fe、Ni)固溶体、Ni-Cr-Fe固溶体以及Fe23(C,B)6化合物,表明高速熔覆工艺有促进合金化的作用。Fe-Cr固溶体的存在有助于提升涂层的耐摩擦、耐腐蚀性能。因为激光高速熔覆工艺,扫描速度快,液态金属在凝固时有更大的过冷度,使得熔覆层整体的组织成分为更加细小、均匀的树枝晶组成,表明高速熔覆工艺有促进晶粒细化的作用。进一步增强了涂层的显微硬度,熔覆层顶端到底部硬度的变化范围为677HV～515HV,为304不锈钢基体显微硬度(247HV)的2～2.7倍。在室温环境下,对比分析了 Fe55合金涂层与304不锈钢基体之间的摩擦磨损性能和耐腐蚀性能,其中304不锈钢基体与Fe55合金涂层的摩擦系数和磨损率分别为0.53、2.486×10-5(mm3/Nm)和 0.35、1.322×10-5(mm3/Nm),表明 Fe55 合金涂层的耐磨损性能优于304不锈钢基体。通过电化学腐蚀实验的结果显示,304不锈钢基体的腐蚀电位为-0.004V,比Fe55合金涂层低了 0.1505V,而304不锈钢基体的腐蚀电流密度为7.62×10-7A·cm-2,大约是Fe55合金涂层腐蚀电流密度1.39×10-7A·cm-2的6倍,表明Fe55合金涂层比304不锈钢基体有着更好的耐腐蚀性能。通过三点弯曲实验结果表明,激光高速熔覆Fe55合金涂层不仅能够增强基体的抗弯曲、抗变形能力,且在大变形情况下未发生涂层与基体之间剥落、脱落的现象,表明涂层与基体结合性良好。本研究说明激光内送粉高速熔覆制备涂层效率高、组织性能好、界面冶金结合好、厚度可控、环保无污染,有望成为新一代表面涂层技术。