球墨铸铁具有较高的强韧性、优异的抗冲击性、减震性、耐磨性以及耐腐蚀性等性能,广泛应用于工程工业领域及国防领域中的重要构件中,如大型舰船发动机、车辆发动机以及大型曲轴等。然而球墨铸铁件在实际服役过程中,容易出现“砂眼”暴露、开裂、磨损、腐蚀及“掉块”等损伤缺陷,造成装备的失效。球墨铸铁件的再制造问题一直是行业内面临的巨大难题,传统的电弧焊接修复工艺复杂,成本高,操作环境差并且再制造质量很难满足实际应用需求,尤其是对于精密球墨铸铁件和高性能球墨铸铁件的再制造,传统的电弧焊接修复技术很难适用。激光再制造技术作为近些年新兴的技术手段,在控制稀释率、基体热损伤以及实现精密再制造等方面具有传统电弧焊接修复方法不具备的技术优势,因此激光再制造技术为高性能球墨铸铁件的高质量再制造提供了技术可行性。本文针对高性能球墨铸铁件的激光增材再制造,首先从激光增材再制造粉体材料出发,设计开发了在物性和力学性能等多方面和球铁件能够匹配并且适用于球铁件激光增材再制造的合金粉末;探明了球墨铸铁件激光增材再制造过程中的组织演变特征和规律;采用多种工艺手段结合,实现了再制造过程中气孔和裂纹等缺陷的控制;建立了激光增材再制造过程中组织演变特征和热循环的对应关系;采用界面成分调控等手段实现了界面组织结构的优化;设计了预置-送粉复合等再制造方法,实现了界面白口化的消除;针对激光增材再制造球铁件,对硬度、抗拉强度等性能进行了综合评价考核,并在大型船舶发动机缸体上开展了实际再制造工程应用。为了探明球墨铸铁件激光再制造过程中复杂的组织结构演变机制,本文从单道熔覆、多层多道以及凹坑修复等多个角度研究球墨铸铁件激光再制造过程中的组织演变行为。利用ANSYS有限元模拟,系统研究了激光增材再制造过程中的温度循环特征,建立了温度循环和组织结构演变的对应关系,探明了球墨铸铁件激光再制造过程中半熔化区及热影响区组织结构演变机理。针对球墨铸铁件体积损伤的再制造问题,本文结合有限元模拟方法,系统地研究了球墨铸铁件激光再制造过程中不同坡口类型下的开裂行为和开裂机制,优化出了获得最小应力应变的工艺策略。同时设计制备了具备低膨胀特性的粉体材料,获得了镍铜合金+低膨胀合金的复合成形层,大大降低了球铁激光再制造出现的开裂倾向,实现了深度近7mm凹坑的激光增材再制造。针对球墨铸铁件激光增材再制造过程中的界面行为,本文对界面元素的分布特征和扩散行为进行了系统研究,建立了基于石墨球碳扩散的多种壳体结构模型。构建了激光再制造过程中石墨球碳扩散方程以及典型双壳结构和单壳结构的壳体生长方程,为界面白口化的预判和控制提供了理论依据。同时结合有限元模拟的方法,研究了界面区域热损伤行为,并阐明了界面热损伤的影响因素,建立了热损伤和组织结构的对应关系。针对界面白口化的控制问题,本文提出了界面成分调控方法,采用C、Al以及C/Al复合三种成分调控方式对界面组织状态进行改善,结果表明界面白口化的程度明显降低,石墨球周围的莱氏体壳最小平均厚度由30-50μm降低到10μm以内,界面状态得到明显改善。为了进一步消除界面白口组织,本文采用常规熔覆、预置粉末以及预置粉末+送粉复合等多种方法对球墨铸铁件进行激光增材再制造。结果表明,采用上述方法可以形成钎焊界面和微熔界面两类界面特征,界面的白口化可以完全消除,界面区域马氏体含量明显降低,由常规的粗大针状马氏体变为细小的板条马氏体,界面的平均硬度和最高硬度明显下降,单道成形的最高硬度可以控制在500HV以下。发现了预置粉末成形过程中出现的几种典型界面特征,从热力学角度探明了各类界面特征形成的理论机制。为了研究激光增材再制造球墨铸铁件的实际效果,本文从硬度、抗拉强度、冲击韧性、耐磨性及色差等方面对再制造的球墨铸铁件进行了综合评定,同时针对大型船舶球墨铸铁发动机缸体进行了激光增材再制造实际工程应用,成功对缸体多个部位出现的砂眼及磨损等多种缺陷进行了再制造。结果表明,激光增材再制造之后,无裂纹和明显气孔缺陷,各方面性能均不低于基体,完全实现了高性能球墨铸铁件的高质量再制造。