激光熔覆技术作为一种绿色高效的先进制造技术,也是金属立体成形和增材制造的基础,适用于精密复杂零件的快速成形,广泛的运用在航空航天、大型装备以及生物医疗等领域。由于激光熔覆加工过程是一个多物理场耦合,多工艺参数相互作用的过程,熔覆过程中复杂的传热传质现象都影响着最终成形件的性能,制约了该技术的推广与发展。因此制造性能优异可靠性高的零件,不仅需要克服成形过程中工艺原因导致的缺陷,并且需要更加深入的理解成形过程中传热传质的机理,实现对凝固组织的进一步调控。本文利用激光熔覆技术在45号钢上制备了316L不锈钢合金涂层,采取实验与仿真对比检验的方式,基于有限体积法使用FLUENT建立了三维瞬态激光熔覆的动态模型,考虑激光熔覆过程中的传热传质作用,利用VOF方法动态追踪熔覆过程中沉积层的动态生长过程,结合正交实验探索不同工艺参数对熔覆层几何形貌以及熔池凝固特征参数的影响,旨在建立熔覆工艺—凝固组织—最终性能的定量联系,为激光熔覆增材制造提供理论基础,研究内容结果如下:(1)分析了不同激光功率扫描速度以及送粉速率对熔覆层几何形貌特征的影响,分析了对熔覆层几何形貌特征起主导作用的因素,正交实验与数值模拟结果的对比结果显示熔高熔深稀释率三个特征参数的平均误差分别为6.85%,8.35%,10.14%,证明了数值模拟模型的可靠性。(2)基于数值模拟的计算结果进行二次回归拟合,总结工艺参数与熔覆层特征几何参数的定量联系,利用拟合结果进行预测,并进行相同参数下的实验验证,结果表明二次回归拟合的熔高结果与实验相比最大误差27.24%,平均误差7.68%;与数值模拟结果的最大误差为15.43%,平均误差为6.83%。熔深结果与实验相比最大误差55.97%,平均误差24.47%;与数值模拟结果的最大误差为50.54%,平均误差为20.39%。(3)研究了激光熔覆过程中熔池的演化过程以及熔体的流动特征。结果表明激光功率在温度场变化中占主导作用,激光熔覆过程中温度场的峰值温度随着激光功率的上升而增大,扫描速度的增加会导致峰值温度的降低。熔体的流场分布结果显示,在熔池中心位置流动速度最小,熔池两端的流动速度大,分析得知熔池前端的熔体流动大于后端,说明了熔化过程的流动比凝固过程更剧烈。(4)分析了激光熔覆熔池凝固界面不同区域的凝固特征参数,根据过冷理论对凝固组织特征进行相应的预测。模拟的结果表明从激光熔覆熔池凝固界面顶端至底端的过程中温度梯度G增大,凝固速率R减小,根据G×R和G/R的值判断顶部组织细小而底部组织粗大。(5)研究了不同的熔覆工艺参数对凝固参数的影响,揭示了激光熔覆凝固组织与工艺参数之间的定量规律,激光功率增大会使得温度梯度G减小,因而G×R也随之减小,最终使得凝固界面处的晶粒增大;扫描速度的增加会使得温度梯度G增大,凝固速率R增大,G×R增大,凝固界面处的晶粒有所细化。