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针对轧辊类零件因磨损失效而缩短使用寿命这一问题,本文采用空载式超声振动辅助激光熔覆的新型工艺方法,选取42CrMo钢作为基体材料进行激光熔覆实验研究。通过对复合技术制备的涂层进行宏观形貌、微观组织、物相组成和力学性能的分析,探讨了空载式超声振动辅助激光熔覆制备高性能涂层的可行性及其作用机制,提出并比较了施加不同角度超声振动所制备的复合涂层性能的优劣。为激光熔覆辅助技术的创新型研究进行了有意探索,同时也为激光熔覆修复轧辊类零件,获得无裂纹、无气孔、高硬度和高耐磨性复合涂层提供了一条新的研究思路,具有重要指导意义。本文首先对空载式超声振动辅助激光熔覆作用机理进行研究,分析了超声波在空气中传播的特性,指出超声波作用于激光熔覆层的效应机理主要为:空化效应和热效应。对空化泡从形成到破裂的过程进行分析,并用水滴模拟熔池实验揭示空化效果,同时分析了热效应的来源为熔池介质的摩擦生热。在理论分析的基础上对超声振动变幅杆进行选型和计算,以保证具有足够放大系数和工作稳定性的实验要求,并设计搭建了可实现超声波距离和角度可调的超声振动辅助激光熔覆实验系统,为研究不同角度超声振动辅助激光熔覆实验提供了可靠保障。然后,对42CrMo钢基体表面激光熔覆3540Fe/CeO2铁基合金涂层的工艺参数和粉末配比进行实验研究。设计正交试验通过比较涂层硬度和耐磨性,得到激光单道熔覆的较优工艺参数为:激光功率1.1KW、离焦量30mm,扫描速度为4mm/s,在此基础上进行多道搭接实验,通过比较涂层表面和截面形貌以及搭接界面平整度,确定多道激光熔覆较优搭接率为50%。在优选最佳工艺参数组合后,选取CeO2稀土元素与3540Fe基粉末混合进行熔覆实验,研究CeO2的不同添加量对于熔覆层性能的影响规律,实验结果表明CeO2的最佳添加量为1.2%,此实验条件下得到的熔覆层组织细密,晶体分布均匀,涂层硬度和耐磨性均得到有效提升。最后,在确定了激光熔覆实验最优工艺参数及粉末配比的条件下,加入超声振动进行超声振动辅助激光熔覆制备3540Fe/CeO2高性能熔覆层的实验。利用体式显微镜、扫描电镜、XRD衍射仪、显微硬度仪和摩擦磨损试验机比较了有无超声振动及施加不同角度超声振动对熔覆层宏观形貌、微观组织、物相组成及力学性能的影响。结果表明:在超声振动的空化效应及热效应对熔池的同步直接作用下,熔覆层微观组织细化效果更加显著,由未加超声振动时的粗大的胞状晶和少量树枝晶转变为等轴晶及细小针状枝晶,气孔及裂纹消失,同时涂层获得高硬度和耐磨性,物相结构不受影响。比较超声振动施加角度分别为0°、30°、45°、60°和90°实验条件下得到的熔覆层,发现45°超声作用下熔覆层性能最为优异,此时熔覆层表面平整、截面形貌搭接良好,微观组织由细小的等轴晶及枝晶组成、最为细化均匀,硬度提高了62%、达到1148HV,耐磨性较未施加超声振动时提高了2倍,摩擦系数降低了近50%。