熔射成形在高熔点材料的零件和模具快速制造方面具有独特的技术优势，且工艺简单、成本低、制造周期短，因而越来越受到国内外学者的高度重视。但是在熔射成形过程中，高温熔滴在等离子射流的作用下，以极高的速度撞击熔射模，又在极短的时间内急速扁平、骤冷凝固，以不规则堆积和动态生长的方式构筑型壳，常规实验方法很难观测。同时由于周围空气的卷入和阳极斑点的跳动等复杂因素的影响导致了超高温射流的快速波动，直接影响着熔滴飞行特性、熔融状态、氧化行为及着陆点，造成堆积和生长过程的瞬态变化。熔射过程中熔滴的上述特点常常导致了熔射层的起翘、开裂和剥落等缺陷，严重地影响了零件或模具的成形质量和成形精度，甚至使熔射工艺无法实现，造成了能源、材料和人力的极大浪费。然而，国内外在熔射成形技术中对骤冷熔滴动态生长特性的研究几乎空白。因此，深入而系统地研究骤冷熔滴的扁平特性和动态生长特性，建立熔射工艺参数与涂层性能之间的内在耦合关系具有重要的科学意义。本文针对熔滴扁平、凝固、不规则堆积生长的特点，提出了熔射成形骤冷熔滴扁平行为与生长过程模拟的构想。重点研究熔滴直径、温度、速度和基体温度、界面热阻对熔滴扁平过程的影响规律；建立基于熔滴多维统计特征的涂层生长模型；分析熔滴凝固冷却时温度场和热应力；构建基于涂层金相照片的增层模型，探索含孔隙涂层的温度场分布；采用支持向量机方法预测熔射工艺参数、熔滴温度和速度、涂层显微硬度和孔隙率之间的内在关系。采用计算流体动力学和传热学方法，以流体动力学模型和包括基体的流固耦合传热模型，可视化模拟了不锈钢熔滴的扁平行为，为熔滴动态生长和涂层形成机理的研究奠定了基础。模拟结果显示，熔滴在撞击扁平过程中，界面接触压力随时间逐渐衰减，最大接触压力位于熔滴横向流动的前沿，在1／4扁平时间后熔滴的扁平过程呈现出完全的横向流动；熔滴直径、温度、速度和基体温度、界面热阻是影响熔滴扁平时间和扁平率的重要因素，扁平时间和扁平率随着熔滴直径、基体温度、界面热阻的增大而增大，但扁平时间随着熔滴撞击速度的增大而减小，扁平率则相反。建立熔滴多维统计特征模型，依据照片反映的形状特点生成数字化熔滴薄片，在对其截面进行离散的基础上，模拟研究了熔滴不规则堆积所形成的涂层微观结构，分析了熔滴直径和速度、喷枪移动速度对涂层孔隙率和表面粗糙度的影响规律。模拟结果表明，保持熔滴速度和喷枪移动速度不变时，适当增大熔滴直径将使涂层孔隙率减小，但涂层的表面粗糙度却增大；保持熔滴直径和喷枪移动速度不变时，适当增大熔滴速度将降低涂层孔隙率和表面粗糙度。该研究对分析涂层微观结构具有重要的意义。以数值模拟得到的熔滴薄片为原型，采用有限单元法模拟了3Cr13熔滴薄片凝固冷却时的温度场和热应力。计算结果显示，由于薄片本身具有边缘厚、中心薄的圆盘形状特点，在凝固冷却的初始阶段薄片边缘的温度高于薄片中心的温度，随着冷却的进行薄片中的最高温度位置将逐渐移至薄片中心；薄片中的最大应力出现在薄片边缘与基体的接触面处，最小应力则位于薄片边缘的上表面；第一主应力在熔滴上表面沿径向逐渐减小，沿轴向在接触面处发生急剧变化；薄片中的第一主应力为拉应力，基体中的第一主应力为压应力；适当提高基体初始温度可降低熔滴薄片中的最大热应力，对解决沉积过程中熔滴的卷曲、龟裂等缺陷十分有利。针对现有增层模型无法考虑涂层孔隙率的缺陷，在对熔滴动态生长所形成的涂层金相照片进行图像处理和比对的基础上，首次提出了一种能够处理涂层孔隙率的增层模型，并用该模型对涂层温度场进行了模拟。模拟结果表明，孔隙对涂层沉积和冷却过程中的温度场分布具有显著的影响，靠近孔隙处的温度下降比远离孔隙处的更慢，而且孔隙越大，这种温度差异越大，且孔隙对基体中的温度场分布也有影响，可为含孔隙涂层残余应力的研究，解决涂层起翘、开裂和剥落等失效提供基础。以WC-12％Co材料为例，通过正交实验研究了熔射工艺参数、熔滴温度和速度、涂层显微硬度和孔隙率的对应关系，引入支持向量机方法预测了熔射工艺参数对熔滴温度和速度、涂层显微硬度和孔隙率的影响规律。预测结果显示，适当增大氩气流量可提高熔滴速度而熔滴温度却降低了，对涂层显微硬度和孔隙率影响较小；适当增大氢气流量可以同时提高熔滴的温度和速度，降低了涂层孔隙率，提高了涂层显微硬度，改善了涂层性能；熔射电流强度对熔滴温度和速度、涂层显微硬度和孔隙率影响较小。应用该方法，综合考虑熔射工艺参数、熔滴温度、速度可更有效地预测涂层的孔隙率和显微硬度。