工业燃气轮机中的进气机匣、涡轮盘、叶片等热端部件在恶劣的服役环境下,易发生疲劳和损伤,若对其直接报废处理将会导致资源及成本的严重浪费,而采用激光再制造技术对受损的热端部件进行修复,将极大的降低成本,减少资源浪费,具有巨大的社会意义和经济价值。激光再制造技术是将再制造工程和激光熔覆技术有效结合的一种激光修复技术,针对受损零部件进行再制造修复,延长受损零部件的服役寿命。然而,热端部件所采用的高温合金在激光修复工艺中易发生气孔、有害相析出、熔合不良等缺陷。为此,本文将超声振动引入高温合金激光再制造技术工艺过程,对激光再制造IN939高温合金修复区的成形质量、显微组织以及综合性能等方面开展研究,为工业燃气轮机热端部件的再制造修复提供理论依据和技术支持。基于超声振动在金属凝固过程中的作用机制,本文首先对超声变幅杆进行结构设计,完成超声辅助激光再制造设备搭建,实现超声振动与激光的有效耦合;综合宏观成形质量和微观组织,对激光熔覆IN939高温合金进行了工艺探索及参数优化;进而将超声引入激光熔覆工艺过程,研究超声对熔覆成形形貌、显微缺陷、微观组织、晶体取向、元素偏析与分布等方面的影响;通过建立仿真模型探究超声对激光再制造V形槽内部熔池温度场及流场的作用效果;进而分析超声振动对激光再制造V形槽的显微组织、元素偏析以及晶体取向的影响;最后,对超声辅助激光再制造成形件的常温硬度、高温硬度、耐腐蚀性能及拉伸性能等开展了分析研究。本文的主要研究结论如下:(1)超声振动显著影响IN939高温合金熔覆层宏观形貌,主要表现为:熔深、熔宽增大,熔高降低。(2)超声振动显著影响IN939高温合金修复区微观组织,主要表现为:界面结合区附近一次树枝晶间距由未施加超声的6.74~11.59μm降低至2.85~6.09μm;超声振动有效抑制了Laves相及MC相的偏析,使析出相含量显著降低,并使分布更加弥散;超声促进了Fe、Co等元素在熔覆层中均匀分布,避免了富Fe贫Co区域的产生;超声有效降低熔覆层的孔隙率。EBSD测试结果表明:超声显著降低了晶粒尺寸,并使晶体取向一致性降低。(3)将超声振动引入V形槽的IN939高温合金激光修复过程,可有效避免尖端气孔等缺陷,抑制再制造修复区元素偏析,降低一次枝晶间距和晶粒尺寸。基于数值模拟探究其机理为:超声作用下熔池对流加快,熔体流速增大,冷却速率增大,熔池内最高温度降低,温度场分布更加均匀。(4)通过超声振动的组织调控,IN939高温合金修复区性能显著提升,具体为:修复区常温硬度提升7.41%,高温硬度提升10.42%;耐腐蚀性能获得提升;拉伸试验测试表明,在超声作用下,激光修复件的抗拉强度提升5.95%,屈服强度提升9.26%。