熔覆增材制造是在传统微熔与铸焊基础上,使用聚焦的热能熔化金属材料并依据零部件三维模型逐层熔覆制造的过程,包含了“体积增材”和“表面增材”。目前,控制熔覆件内部组织质量和保证力学性能是发展和应用该技术的关键。熔覆体积各区域热历程的不同会产生差异化的微观组织,并具有组织和力学性能不均的本质特征。为分析熔覆增材样件的微观组织和力学性能,对送丝式电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)、送粉式激光增材制造(Powder and Laser Additive Manufacturing,PLAM)两种基础工艺过程展开研究。设计搭建了开源低成本WAAM工艺试验系统,通过基础工艺试验从成形性、微观组织和力学性能角度评估了其应用潜力。在正交试验的基础上,应用体积能量近似法确定了WAAM和PLAM熔覆工艺的试验参数,制备出多层多道IN718增材样块。结果表明,在熔覆中实施强制冷却能够高效的制造形状复杂且无宏观缺陷的金属薄壁件,总输入能量的合理分配是控制熔覆道是否塌陷的关键。高材料利用率是WAAM工艺比PLAM工艺更为高效的主要原因。在Abaqus软件中使用Python语言编程开发,实现了异形六面体代表性体积单元建模以描述熔覆道之间的搭接特征,通过动态激活热边界条件模拟换热面变化,考虑了熔覆层热边界变化对整体温度场的影响,建立了熔覆增材制造工艺通用参数化有限元模型,并通过原位测温验证了热模型的准确性。随后对多层多道IN718样块熔覆增材过程的温度场进行了模拟分析,并提取了相关节点的热历程数据,用于微观组织中析出相演变分析与预测的研究。对多层多道IN718样块的非均匀微观组织和宏观拉伸力学性能进行了表征与测试,结果显示组织中层带区域的枝晶尺寸粗细交替变化,并在枝晶间不均匀分布有脆性Laves相和MC型碳化物,有效体积能量密度差异造成了WAAM和PLAM熔覆态组织的差异,熔覆态样块中各区域、各正交方向上的力学性能与微观组织不均性相关。为研究与热相关的微观组织及相析出的分布特征,提取了有限元热模拟结果中相关节点的热历程,并输入基于等温相变动力学的预测模型得到了多层多道IN718样块中主要析出相的分布规律。通过显微硬度测试间接验证了所计算强化相的分布结果,并采用多尺度SEM图像量化统计并估算出纳米级γ’/γ”析出相在较大微米级尺度范围内的平均含量。结果表明,依据细分的热历程曲线和基于等温相变动力学的计算模型可以定量预测熔覆增材过程中的相析出程度。IN718熔覆增材样块中的微观析出相呈空间不均匀分布,在各局部区域处存在含量差异,大多数γ’/γ”相因Nb的偏析而沿着枝晶界不均匀分布,热历程最低持续温度在时效温度区间内的时间越长,越有利于强化相γ’/γ”的析出。为在微米级尺度表征IN718熔覆增材组织的弹塑性力学性能,对熔覆增材样块局部区域实施了纳米压痕测试,并建立了压入问题有限元模型。通过编写融合了粒子群优化算法的Python程序,实现了已知压头载荷–位移曲线自动执行反演优化分析得到压痕微区域塑性力学性能参数的想法,并通过DaoMing解析算法验证了上述方法有效,能成为材料性能表征的备选方法。之后确定了IN718熔覆增材样块上微米级局域的平均塑性力学性能,结果显示WAAM和PLAM样块的局域塑性力学性能不均匀,样块中间横截面局域塑性力学性能参数存在起伏,屈服强度沿高度方向上的波动较为明显,而沿同一层内水平方向上的波动较小。