铁路运输作为国民经济的重要组成部分,是我国经济社会发展的大动脉,但是伴随着早期建设的铁路线逐步达到服役年限,故障率大幅上升,运维压力与日俱增。因此及时对路轨损伤缺陷在线高质量修复,是降低铁路运维成本、提升安全保障的有效途径。本文以中空激光光内送粉熔覆喷头为核心的实验系统,采用真空气雾化法制备得到的U75V粉末,在商用钢轨上进行激光增材修复与再制造研究。首先,针对高碳钢沉积性较差的特点,进行功率、扫描速度和离焦量的单因素实验,寻求得到最优的成形参数（功率1000W,扫描速度6mm/s,离焦量-3mm）,并总结了不同工艺参数对熔道形貌的影响。在单道单层沉积实验中,沉积层和基材的结合面处,显微组织沿着热流密度方向定向凝固,并展现出一定的择优取向。这部分组织因受热温度不同,大致可以分为基材回火区、热影响区、熔池和沉积层,其中热影响区具有最高的显微硬度。采用上述工艺进行沉积实验,制备不同层数的单道多层试样,在试样中观察到组织沿生长方向的演化,即珠光体马氏体交替出现的现象。其次,为了探索单道多层样品中马氏体、珠光体和贝氏体垂直分层的现象,借助ABAQUS有限元模拟的手段,从温度场角度解释中空激光成形样品中珠光体形成原因。基于高斯热源分布,结合神经网络预测,构建出三维环形体热源方程。研究了不同工艺参数下熔池尺寸,建立了熔宽和熔深关于功率、离焦量和扫描速度的二次多项式拟合方程。并通过无纸化数据记录仪、热电偶和红外相机,采集分析实际成形过程温度历程,验证了热源模型的可靠性。再次,在有限元模拟的基础上,利用热循环解释了珠光体形成机制,提出了珠光体形成的两个必要条件——波谷温度高于Ms和实际冷速小于临界冷却速率Vcritical。鉴于珠光体形成的必要条件,对沉积过程进行工艺与合金化调控,以避免连续成形沉积层底部和顶部马氏体的形成。一方面采用基体预热来抑制最底层沉积层凝固时发生马氏体相变。另一方面采用掺杂钴元素,改变U75V钢奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线）,使得CCT曲线左移。结果表明,预热和提高马氏体相变的临界冷速,可以有效避免因冷速较快形成马氏体。同时,临界冷速的升高也提高了沉积层内部珠光体的含量。最后,为了评价激光熔化沉积制备U75V钢轨是否能达到服役要求,采用上述实验参数成功制备结合良好的沉积层,并对沉积成形的样品进行力学性能测试。激光熔化沉积钢轨样品,屈服和抗拉强度约为856 MPa和1148 MPa,分别为母材的109.4%和87.8%。沉积层与基材的结合强度约为母材的77.3%,达到了 1011 MPa。但沉积层的延伸率远低于商用钢轨的要求,仅仅为4%,而后者的延伸率超过12%,冲击韧性约为母材70%。对商用钢轨和激光熔化沉积制备的修补层进行摩擦磨损测试,沉积层耐磨性能远高于商用钢轨。