激光熔覆技术具有成形速度快、组织性能优良、加工材料范围广等优点,对于长期受到冲击磨损的模具钢的表面强化和再制造有着重要的意义。镍基合金由于其具有高强度、高韧性和耐腐蚀性能的优点而广泛被用作激光熔覆材料,但在激光熔覆过程中熔覆层的形貌尺寸难以精确控制,并且由于激光骤冷骤热的特点容易产生极大的热应力,进而在熔覆层上产生裂纹等缺陷,因此有必要对激光熔覆过程中的温度场和应力场分布进行研究。本文以冷作模具钢Cr12MoV和镍基涂层为研究对象,探究激光电流、激光扫描速度和激光脉宽对熔覆层高度和宽度的影响,并建立预测熔覆层形貌尺寸的多参数耦合回归方程;通过有限元数值模拟研究激光电流和激光扫描速度对单道激光熔覆温度场和应力场残余应力的影响,分析搭接率对多道激光熔覆温度场和残余应力影响,获得的研究成果如下:本文通过正交实验获得25组激光熔覆镍基合金涂层,并建立起关于熔覆层截面宽度和高度的多参数耦合的线性回归方程,预测所得Cr12MoV模具钢激光熔覆镍基合金的熔覆层宽度误差可以精确到0.86%,平均误差6%;高度误差可以精确到0.56%,平均误差10%;并且获得了如下规律:激光电流和脉宽增大,熔覆层存在宽度增加,高度减小的趋势;熔覆层宽度受扫描速度影响较大,随着扫描速度的增大而减小,但熔覆层高度受扫描速度影响较小。用与正交试验不同的激光工艺参数获得的熔覆层宽度和高度与线性回归方程预测误差分别为4.82%和3.6%,证明了本数学模型的准确性与通用性。其次通过有限元软件ANSYS建立起单道激光熔覆模型,获得了温度稍显滞后的“彗星”状温度场分布特点以及不同激光工艺下的节点最高温度历程,得出节点最高温度随激光电流增大而增大,随激光扫描速度增大而减小的结论。结合金属的凝固理论,计算出了熔覆层顶部、中部和底部的温度梯度、冷却速度和凝固速率,预测了熔覆层组织形态大小,进而验证了温度场模拟的准确性。通过ANSYS瞬态结构分析模块计算不同路径和不同工艺参数下熔覆层残余应力大小得出:沿着激光扫描方向在基体与熔覆层交界处残余应力最大;保持其他激光参数不变,熔覆层残余应力随着扫描速度的增加而减小,随着激光电流的增大而增大。据此,确定了Cr12MoV钢激光熔覆镍基合金涂层最优工艺为:扫描速度为200 mm/min,激光电流为160 A,激光脉宽6 ms,激光频率为8 Hz,在这种激光工艺下熔覆层残余应力最小为375 MPa。与此同时,对三道搭接的激光熔覆建立了搭接率为30%、40%和50%的模型,分析了多道上同一位置不同熔道的节点温度历程,得出不同搭接率对每道温度影响规律。分析了多道搭接区和非搭接区的微观组织,并通过凝固理论的计算,得出搭接区的冷却速度和G/S的比值较非搭接区域小,因此可以获得更为细小的组织。通过计算不同搭接率下多道激光熔覆层的残余应力大小,得出在搭接率为40%时熔覆层残余应力最小为155MPa。