激光熔覆技术作为金属零件快速制造、失效金属零件绿色再制造的新技术之一,具有清洁、高效和对基材影响小等优势。由于激光熔覆过程具有温度变化快、局部温度梯度大和固液相快速转化等特点,在激光熔覆后的熔池和热影响区会产生较大的残余应力和残余变形,影响金属增材制造和局部修复质量。因此,研究激光熔覆过程中的温度分布规律及残余应力的生成机制是十分必要的,这能够为熔覆工艺控制提供重要参考。为了更精确的预测激光熔覆的温度场和应力场,本文以激光熔覆TC4合金为研究对象,基于热弹塑性有限元法,将实验与数值模拟结合来修正模型,并采用轮廓法验证了修正后的有限元模型,进一步研究了双层熔覆下的温度分布和应力变化规律。采取有限元数值模拟和实验变形测量相结合的方法,建立了顺序热力耦合非线性模型,通过最小二乘函数来评估有限元熔覆模型与变形测量实验结果的偏差,采用有限元模型更新法来反演激光熔覆TC4合金的热源参数。通过数值与实验结果对比验证了热源参数反演结果的合理性,之后开展了熔覆层附近的应力场分析,讨论了温度场对力学场分布的影响,发现温度梯度对力学场的大小和分布均有较大影响,高应力区主要集中于熔覆层及其周围,当温度梯度较大时,应力梯度也较大;相反,温度梯度较小时,应力梯度也较小。对TC4合金开展了激光熔覆实验,采用轮廓法测量了激光熔覆所产生的残余应力。通过热力耦合三维有限元模型计算了温度场和残余应力场,与轮廓法测量的残余应力趋势一致。实验和数值结果显示:残余应力在熔覆位置拉伸应力最大,随着远离焊缝急剧变成压缩应力,随后压缩应力逐渐减小。基于上述工作,应用生死单元法开展了不同熔覆层数条件下基板的残余应力数值模拟,通过对比不同熔覆层数条件下的残余应力分布,讨论了熔覆层数对von-Mises应力和纵向应力的影响,发现随着熔覆层数的变化,温度和应力都出现明显变化。当熔覆第二层后,激光作用区域的最高温度由1849℃左右上升到1923℃左右,同时在不同的路径中,纵向应力的最大值变小,且应力最大值的位置发生了偏移。