水下在线修复技术可为受损的海洋工程零部件提供及时有效的维修保障。在水下修复领域,激光沉积技术因其不可比拟的技术优势展现出了巨大的应用前景。然而,由于水下激光沉积修复技术的发展尚处于起步阶段,可供借鉴的理论和经验少之又少,加之水环境的存在极大地增加了激光沉积过程的复杂性,因而,发展涉及材料、工艺和机理的综合性水下激光沉积修复理论具有重要的意义。本文从明确激光、水与金属表面之间的相互作用着手,综合评价了三者相互作用对激光沉积层成形质量的影响,揭示了水环境下激光沉积层质量的关键影响因素,并以Cu基合金为代表性修复材料,针对性地设计了保护性覆层,明确了其保护效应。探究了激光沉积熔池表面张力对沉积层成形质量的影响,明确了表面张力和沉积层表面曲率半径与沉积层成形质量之间的关系,进而通过合金化进一步提升了沉积层的成形质量及性能,从而为水下激光在线修复提供一定的理论指导和技术支持。综合考虑在水环境下激光同金属表面的相互作用模拟计算了沉积层表面附近的水的相变、空化和等离子体化等行为。理论计算结果表明,在激光作用下,不同曲率半径基体或沉积层表面的液态水呈现出不同的汽化现象,曲率半径越小的表面,其表面液态水的沸腾现象越剧烈。上述这些是影响沉积层质量的主要因素,为了提高Cu合金沉积层的成形质量需要对这几个因素进行有效控制,其中包括尽量减少激光加工区域内水的含量、适度增加沉积层上表面的曲率半径、适度提高材料熔体强度和表面的抗冲击能力以及减少有害杂质的引入。针对性设计了具有造气作用的保护性覆层,其在激光辐照作用下分解产生足够多的CO2气体,CO2气体在长脉冲激光的辐照下较难被电离,从而在水环境下营造了类大气的局部稳定空间,有效减少水环境对激光沉积过程的不利影响。该局部稳定空间既为从激光修复枪头到基体的激光光束建立了更稳定的传输通道,减少激光能量在水环境中的耗散;还为液态熔池的凝固成形过程提供了更稳定的环境,最终使在水环境中制备的镍铝青铜沉积层的成形质量大幅提升。在气化覆层的保护基础上,在沉积粉末中引入了 Ti元素,从而有效地调控了镍铝青铜激光沉积层的表面张力及其曲率半径。随着Ti含量的增加,Cu基合金熔体的表面张力相应增加,同时,沉积层表面曲率半径也变大。表面张力的增大使液态熔体表面具备更强的抗冲击能力,而曲率半径增大使热弧表面的蒸汽化行为减弱。这两方面的协同作用大幅度提升了 NAB激光沉积层在水环境下的成形能力及成形质量。另外,由于在水环境下具有较快的冷却速度,沉积层在成形过程中形成的热影响区很小,且在水流冲击作用下沉积层内部存在较多的形变孪晶和层错结构,这在一定程度上提升了沉积层的强度。为了调控成形组织和减少缺陷,在激光沉积材料中进一步引入稀土元素和CaF2。其中,稀土元素的引入增强了富Ti-NAB沉积层中各元素的扩散效应,从而使沉积层组织更加均匀;而CaF2与氢气反应生成不溶于金属液体的HF气体,从而减少沉积层中H的含量,同时,F元素和稀土元素的存在可以增加沉积层电化学腐蚀过程中表面钝化膜的成膜速度。因此,在稀土与CaF2的共同作用下,沉积层的耐腐蚀性能得到了显著提升。此外,由于沉积层表面氟化物的润滑作用而提高了沉积层在大气条件与在高Cl-水介质条件下的减磨耐磨性能。