激光熔注技术是一种直接将硬质颗粒注入金属基体的方法,虽然可用于获得具有超高性能的材料表面,但在实际应用场合,受到熔注层后续机加工困难、熔注层易开裂、增强颗粒有效含量存在瓶颈等问题,限制了激光熔注技术的应用范围。解决上述问题的关键是实现增强颗粒分布梯度的灵活调控。然而传统激光熔注技术一般采用侧向送粉方式,工艺窗口较窄,对激光熔注层中增强颗粒的分布梯度调整更是需要进行大量的工艺试验,耗费大量的时间且调控效果有限。因此,获得一类无需调整原有熔注工艺参数,即可实现增强颗粒分布梯度调控的方法显得尤为迫切。本文提出在激光熔注过程同时耦合稳态电场和稳态磁场,利用电磁复合场的协同作用,在熔注层熔池区域产生感应洛伦兹力和定向洛伦兹力,作为一类外加体积力,影响熔池内部的对流速度,同时改变增强颗粒在熔池中所受到的等效浮力,实现对增强颗粒运动及固化位置的精准调控。本文通过建立增强颗粒在飞行过程中的温升模型,结合工艺实验探索,明晰了同轴送粉条件下激光熔注的工艺窗口。通过建立耦合电磁场、流场、热场、颗粒运动和固液相变等多物理场的仿真模型,揭示了电磁复合场对熔池传热传质过程和颗粒分布之间的影响机理。同时,通过不同参数下的电磁复合场实验,结合对熔注层横、纵截面各层域颗粒含量的定量分析,成功获得了颗粒分布梯度与电磁复合场参数之间的对应关系。最终,讨论了由增强颗粒分布梯度变化所引起的熔注层组织、成分、硬度和耐磨性的梯度变化差异。本文的主要研究结论如下:(1)WC颗粒直径是影响激光同轴熔注成功与否的关键因素,通过颗粒温升理论模型的计算结果和关键工艺参数下的实验验证,获得了球形WC颗粒的名义直径为100μm时,激光同轴熔注的具体工艺窗口。(2)电磁复合场可在熔注区域同时引入感应洛伦兹力和定向洛伦兹力,前者为时刻与熔池对流方向相反的阻力,可对熔池流速产生明显的抑制作用,后者为一类与重力类似的体积力,可改变颗粒所受的等效浮力,而单纯稳态磁场仅可提供感应洛伦兹力。(3)在单纯稳态磁场作用时,增强颗粒具有向熔注层上部集中的趋势。在电磁复合场协同作用时,通过定向洛伦兹力的方向变化,可实现增强颗粒分布梯度的反转。通过电磁复合场的调控,熔注层关键层域中的颗粒最大含量接近50%,较未附加磁场时提高了约2倍。(4)在单一稳态磁场作用下,熔池表层流速的减缓和熔池底部等效粘度的提升是导致颗粒趋于熔注层上部集中的主要原因。在电磁复合场协同作用下,颗粒所受电磁力合力的方向决定了其分布趋势。(5)颗粒分布梯度是造成熔注层各区域的微区成分、组织形态、显微硬度和耐磨性出现差异的主要原因。当表面颗粒含量较高时,熔注层熔凝区的最高硬度接近900HV,其磨损机理主要为磨粒磨损,且局部微区还同时存在粘着磨损和疲劳磨损现象。本文利用电磁复合场协同作用,在熔注区域外加方向可控的洛伦兹力体积力,获得了熔注层中WC颗粒分布梯度可按需调整的制备工艺,突破了传统只能通过激光工艺参数进行调节所存在的瓶颈,拓宽了激光熔注技术的使用场合和范围。