激光熔覆技术是一种典型的修复工艺,因其极高的能量密度和加工精度、宽泛的材料选择及良好的界面冶金结合等特点,成为修复损伤零部件的关键技术之一。能延长高附加值零部件的使用寿命,同时提升废旧零件的表面性能,契合构建循环经济的国家战略需求。镍基高温合金因其良好的高温机械性能及抗腐蚀性能,在航空航天、航海、核工业及石油化工等众多领域具有广泛的应用。激光熔覆技术在镍基复杂零件的快速修复方面具有独特的优势。另外,激光熔覆层晶粒生长取向良好,性能优于传统铸造合金。然而,对于激光快速凝固过程中的树枝晶转向生长行为及树枝晶间的元素偏析控制问题研究较少,限制了对激光增材制造合金晶体取向性及综合合金性能的控制。本文以激光熔覆镍基IN718高温合金为研究对象,主要研究内容有:激光熔覆IN718熔覆层的制备及组织分析,熔覆层顶部树枝晶的转向生长形貌与晶体取向,数值模拟结合实验结果分析熔覆层顶部树枝晶转向生长的熔池热演化基础,电子背散射衍射(Electron Back-scattered Diffraction,EBSD)结果揭示顶部转向枝晶区的晶粒起源;通过碳纳米管(CNTs)表面化学镀镍处理,制备CNTs增强IN718激光熔覆层,分析了两种不同镀层厚度的镀镍CNTs(NiCNTs)在高能激光束辐照和熔池热作用下,CNTs的结构演变过程,以及CNTs的添加对IN718复合合金凝固过程中的元素偏析及Laves相的抑制作用;分析NiCNTs的含量对激光熔覆层的耐腐蚀性能、耐磨性、拉伸性能的影响。具体研究内容及结果如下:(1)采用优化工艺参数制备成形良好、稀释率低、无缺陷且与基体冶金结合良好的激光熔覆IN718合金。通过对激光熔覆层树枝晶组织形貌、微观结构及EBSD晶体取向的表征,证明了IN718激光熔覆层顶部树枝晶形貌的转变是由于树枝晶生长方向与局部温度梯度间的夹角过大,树枝晶严重偏离热流反方向而形成的转向树枝晶,并非传统认为的树枝晶柱状-等轴转变。(2)通过数值模拟结合实验结果对熔覆层顶部枝晶转向机理进行分析,揭示了顶部转向树枝晶形成的熔池热演化基础。有限元模拟结果表明,在熔池凝固后期,最大温度梯度方向从熔池底部的垂直于基材表面转变为熔池顶部的趋近平行于激光行走方向,导致了激光熔覆层顶部树枝晶形貌的转变。对于IN718合金的激光熔覆,树枝晶生长方向发生偏转的临界夹角为70°~80°。EBSD测试结果表明顶部转向树枝晶的晶粒来源主要为凝固最后期熔池顶部过冷液体中的重新形核质点。(3)通过在CNTs表面进行化学镀镍处理,获得两种不同镀层厚度镀镍碳纳米管Ni1CNTs和Ni0.5CNTs并制备成激光熔覆复合合金。微观组织分析表明CNTs的加入有利于IN718合金的晶粒细化;CNTs的添加还可以有效地抑制IN718合金凝固过程中的元素偏析及Laves相,且抑制效果随表面化学镀镍层厚度的增加而增强。(4)分析Ni0.5CNTs添加量对激光熔覆Ni0.5CNTs/IN718复合合金的耐腐蚀性、耐磨性及拉伸性能的影响。当添加50 wt.%Ni0.5CNTs的IN718激光熔覆合金表现出最优的耐腐蚀性。熔覆合金电化学耐腐蚀性能的改变主要由NiCNTs复合粉末中CNTs及其纳米转化产物的有益作用及Ni元素的有害稀释作用所共同决定的。添加30 wt.%Ni0.5CNTs的IN718激光熔覆合金具有最高的耐磨性。CNTs具有良好的自润滑性能,其在激光辐照下的转化产物,在滑动磨损期间压制并粘附到复合涂层的表面以形成润滑层。润滑层可以减少对磨材料与复合涂层之间的直接接触,从而降低复合涂层的摩擦系数和磨损率。添加Ni0.5CNTs后,复合合金的抗拉强度和屈服强度均有所提升,它归因于CNTs的转化产物的独特结构特征和复合材料的更精细的微观结构。