目前大型机械装备中，灰铸铁类铸件应用十分广泛。由于工况恶劣，铸件表面易出现裂纹缺陷而导致装备失效，为避免报废、降低成本，如何快速修复失效部件并实现高效率的循环再制造是目前亟待解决的技术问题，此技术问题已成为热修复领域的重要研究课题。由于大功率激光技术在材料加工领域具有诸多优势，因此课题提出采用激光热修复方法处理灰铸铁装备表面的裂纹失效问题，深入研究并解决激光热修复过程中涉及的关键技术和问题。主要开展了以下内容的研究工作：分析激光、基体和修复粉末的相互作用，研究其热流传递规律；采用生死单元技术实现修复粉末动态添加、提出了新的组合型体热源的数学表达、利用接触关系准确模拟工作台对工件的约束，建立灰铸铁基体表面的激光热修复全过程数值模型。为连续激光作用下材料表面热修复过程的传热和力学行为规律进定量分析提供研究手段。为实现灰铸铁表面的裂纹缺陷修复，设计激光热修复方法及工艺，确定可用于修复的合金粉末种类，通过实验研究修复区与基体的冶金结合状态，明确灰铸铁基体的显微组织特性及转变规律。实验结果表明，在连续激光能量作用下，不同合金粉末材料与基体形成了不同结合状态，表现出不同的机械性能，采用合理的加工工艺，在完成修复的同时可获得表面性能的提升。根据激光热修复区的形态特点，采用三点弯断实验对热修复试样的断裂性能和修复层结合强度进行分析，探究激光修复对基体断裂韧性和结合强度的影响规律，热修复区提高了基体的抗裂能力；试样由单一的脆性断裂转变为延性和脆性组合的断裂形式；进一步对修复区开裂和裂纹扩展行为进行分析，提出了修复区的阻裂过程模型，揭示了其阻裂机制，发现激光热修复在保持灰铸铁基体原有强度的同时，提高了材料的断裂韧性。通过数值模拟和实验研究，明确尺寸效应、环境介质及其作用方式、激光工艺参数等各因素的影响规律。基体尺寸和液态介质分别影响着基体内部的热传导以及与外界的热交换，浸没式液体环境能够有助于获得较高的表面硬度和耐磨性能；通过实验调整修复工艺，可以获得具有较高的抗裂韧性和较好的机加工性能的修复层。为了改善修复层质量，提出激光局部自预热策略。通过数值模拟和实验分析不同预热工艺对修复效果的影响，确定配套的预热工艺参数，局部自预热能有效降低热拉应力水平，残余应力分布更为合理；减少了脆硬相和白口组织，可使组织均匀化并降低石墨尖端的微裂纹萌生机率。激光局部自预热处理提高了修复质量、改善了修复区材料性能，较现有方法能够获得更理想的预热效果，为完善激光热修复工艺体系、提高修复质量提供理论支持和灵活高效的技术手段。修复粉末的输送和待修复工件的进给是影响激光热修复的重要因素，探究激光同轴送粉喷嘴的结构参数对粉末焦点及浓度分布的影响，以此为依据设计了可垂直拆卸的同轴送粉喷嘴和送粉装置，分别适用于载气和重力送粉，同时粉末流的焦点轴向位置可调。采用驱动精度高、响应快的直线电机驱动进给方式对工作台进行了设计，确定工作台的运动参数；建立激光热修复工作台的数字化样机，通过运动仿真验证工作台运动平稳。综合激光同轴送粉装置的研究和设计，形成了激光热修复配套装置优化设计方案。