随着我国轨道交通的迅速发展,以盾构机为主的全断面隧道掘进机在国家重大地下隧道工程中得到了广泛应用。作为掘进工作的主要零部件,盾构机滚刀在恶劣的工作环境下较易失效,将极大提高各项生产成本。因此,通过增材制造手段实现盾构机滚刀的表面强化成为了盾构产业可持续发展的必由之路。凭借着高加工精度、丰富的覆材选择及良好的结合强度,激光熔覆技术成为实现零部件精准制造及快速成型的重要技术之一。但是,利用激光熔覆技术进行增材制造往往效率偏低,合金覆层多为单层,其成形性也有待提高,且实现高性能的多覆层增材强化难度较大。此外,覆层的硬度较低,增材制造后产品很难适应实际的施工环境,限制了其应用范围。针对上述的一系列问题,本文主要围绕盾构机关重件—滚刀的增材制造,采用光纤激光器,以合作企业开发的新型滚刀材料M作为研究对象,从激光加工工艺参数、熔覆粉末的合金成分以及陶瓷颗粒三个方面对熔覆层的组织及性能进行了系统的研究。本文的主要研究工作包括:(1)使用Fe-Cr-B粉末进行了单道激光熔覆实验,研究了激光工艺参数对单道覆层的成形性、粉末有效利用率、热影响区和熔覆区显微组织的影响规律,揭示了覆层内组织的强化机制。当激光功率和扫描速度较大时,单道覆层的横向延展性明显,逐渐趋于扁平。在较高的激光能量密度下,覆层与基体形成了良好的冶金结合,熔合界面两侧合金元素的扩散更加充分。(2)在Fe-Cr-B过渡层上分别制备了铁基和镍基多层强化覆层,研究了不同成分的合金粉末在覆层宏观形貌、显微组织、硬度和耐腐蚀性能方面的作用规律。结果显示,强化覆层内的组织相对过渡层更加细密,且含有大量的固溶体,枝晶间出现了较多弥散分布的共晶组织。铁基覆层的硬度提升更明显,达到700HV~850HV之间,镍基覆层呈现出更好的梯度过渡趋势;强化覆层有效提高了试样的耐腐蚀性能,铁基覆层表面存在性能稳定的钝化膜,镍基覆层的耐点蚀表现更优。(3)向镍基合金粉末中添加了不同含量的WC颗粒作为强化相,制备了多层复合熔覆层,研究了WC含量对覆层显微组织、硬度及耐蚀性的影响。宏观上看,覆层最佳的成形效果出现在WC含量为20wt%时,此时覆层表面平整且无裂纹等缺陷。覆层内主要含有γ-Ni相、WC及其他化合物,白色的WC颗粒要分布在覆层的中下部,由于溶解量不同形态各异,且周围分布有连续的灰色镍基固溶体。随着WC含量的增大,覆层硬度显著提高,最高可达750HV以上,覆层的自腐蚀电位变化不大,自腐蚀电流密度呈现逐渐递减的趋势。综合来看,含有20wt%WC的覆层的耐蚀性最佳。该论文有图40幅,表11个,参考文献78篇。