核动力水冷反应堆燃料锆合金包壳管是核反应堆安全首道屏障,其安全服役是保证核反应堆安全高效运行的关键。由于金属Cr具有良好的抗氧化腐蚀能力、较低的中子散射截面,以及与锆合金基体有良好地热匹配性能,被用作第一个全尺寸事故容错锆包壳的涂层材料。多弧离子镀技术制备的Cr涂层存在膜基结合力差,表面存在大颗粒、孔洞等缺陷,因而在蠕变、疲劳和受热冲击等工况下容易脱落失效。本论文采用激光微熔-多弧离子镀制备复合新工艺,既能提高涂层结合性能,又能实现微米级涂层厚度精确沉积;同时研究激光微熔调控锆合金表面多弧离子镀Cr涂层安全服役性能的机理,以实现通过能量密度调控膜基界面扩散程度,达到能够提高Cr涂层膜基结合性能、耐腐蚀性能和调节抗高温氧化性能的目的。这些研究对提高锆合金包壳管在事故环境下服役的安全可靠性具有重要的意义。（1）分析了面向安全服役要求的锆合金表面涂层质量评价指标,基于正常运行及瞬态工况下涂层的耐磨损、耐腐蚀,和设计基准事故工况下涂层抗高温蒸汽氧化多因素,对Cr涂层厚度进行了耦合设计,对多弧离子镀制备的Cr涂层表面微观形貌及成分、表面孔隙率、表面粗糙度等涂层制备质量指标进行评价,同时对涂层性能进行测试。（2）针对激光微熔微米级Cr涂层的工艺窗口条件小,建立了面向界面扩散的激光微熔温度场仿真模型,通过温度场正交试验求得多弧离子镀制备的Cr涂层激光吸收率为40%,并对激光微熔工艺参数进行了优化,优化结果如下:光斑直径为0.1 mm,扫描速度为1600mm·min-1时,能量密度为9J/mm2～18J/mm2的范围,能展现出膜基界面微熔扩散全阶段。（3）开展多弧离子镀Cr涂层的激光微熔技术研究。研究了激光微熔对Cr涂层物相组成,微观致密度,粗糙度及显微硬度的影响规律,结果表明:激光微熔促使界面膜基相互扩散并生成Zr Cr2;能量密度为9J/mm2～18J/mm2,随着激光功率的提高,涂层微观致密度及显微硬度均得到改善;轮廓支承长度率Rmr（c）得到增强,表明表面耐磨性改善;但涂层表面粗糙度增大。涂层表面微孔洞面积比从4.6%降至0.3%,微颗粒从7%降至0.4%;显微硬度从302.2HV0.2增至652.7HV0.2,相比提高了116%。（4）研究了能量密度对Zr/Cr膜基界面的调控机理,根据扩散程度不同,将其分成界面微熔扩散、表面微熔致密化、膜基互熔、激光重熔四个阶段。当能量密度为9J/mm2时,由于膜基界面存在Zr-Cr共晶区,其共晶合金最低熔点（1332°C）远低于Cr熔点（1863°C）,因而只在界面发生微熔扩散;随着能量密度增大,界面扩散加剧,同时Cr涂层表层开始产生微熔现象。随着能量密度继续增大,基材与涂层发生互熔,完整的涂层及部分基材形成了Zr/Cr互熔区。当能量密度提高到15.75 J/mm2,高能量有利于Zr与Cr的充分扩散,重熔成稳定的Cr2Zr涂层。（5）研究激光能量密度对Cr涂层的结合性能、高温氧化性能和腐蚀性能的影响规律。结果表明,激光熔凝处理使具有脆性特性及膜基机械结合的多弧离子镀涂层转变为塑性特性和膜基冶金结合,结合性能得到提高;同时耐腐蚀性能得到提高。高温氧化实验结果表明,由于激光微熔扩散生成的Cr2Zr区域对Cr涂层抗高温氧化能力产生了稀释作用,导致激光微熔制备的Cr涂层抗高温氧化性能反而略有降低。研究表明:光斑直径为0.1 mm,扫描速度为1600 mm·min-1,能量密度为11.25 J/mm2的激光微熔处理的Cr涂层表现出较优异的综合服役性能。究其原因,由于在此工艺参数条件下激光微熔涂层界面发生微熔扩散,膜基由机械结合转变为冶金结合,断口形貌由脆性转变为韧性特性,表明结合性能得到改善;涂层表面微熔,局部区域表面致密化,晶粒细化,使得耐腐蚀性能得到提高;涂层仍保留有未扩散的Cr涂层,使其同时具备良好的抗高温氧化性能。