激光内壁熔覆技术为制备内壁强化涂层提供了一种绿色、高效、优良的解决方法。然而,在实际的熔覆过程中,由于材料的受热凝固过程的高度局部性和瞬时性,将不可避免地产生应力及变形,严重影响零件的尺寸精度及使用性能,甚至危及零件的使用安全。基于此,本文采用数值计算与实验相结合的方法,对激光内壁熔覆过程中温度及应力的变化展开研究,获取不同内壁尺寸、形状及工艺条件下温度、残余应力等关键参量的变化规律,为内壁熔覆工艺提供理论依据。本文以ABAQUS软件为计算平台,根据激光内壁熔覆的特点,编写FORTRAN热源子程序建立移动热源模型,利用“单元逐步激活”法,对激光内壁单道、单层多道、多层多道熔覆进行了数值模拟。采用单一控制变量法,对特定路径下不同工艺参数及结构尺寸激光内壁熔覆温度场特征和应力演变过程进行了探究。并通过热电偶测温的方法、熔覆层深度及稀释率比对方法验证了数值模拟温度场的准确性,利用X射线衍射侧倾固定Ψ法测量激光内壁熔覆残余应力,验证数值模拟应力场的准确性。最后,采用光学显微镜(OM)、维氏硬度计分析了不同工艺参数及结构尺寸对熔覆层宏观形貌、微观组织及性能的影响。本文的主要研究结论如下:(1)温度场模拟结果表明:径向方向(即垂直基体表面方向)的温度梯度明显大于其它两个方向的温度梯度,其主要原因在熔池冷却过程中,热量散失主要沿径向方向;且在熔池的固液界面处温度梯度最大。温度梯度与扫描速度、壁厚成正比,随着激光功率、曲率的增大,温度梯度增大,但冷却速度减小。(2)应力场模拟结果表明:温度梯度过大是产生热应力的主要原因。环向应力大于径向应力和轴向应力,熔覆层与基体结合处产生较大的拉应力,此处是裂纹产生的高位地带。不同工艺参数下,路径AD上的拉应力随着功率的增大而增大。高速熔覆时易产生较大的应力。不同结构尺寸下,应力随着壁厚的增大而增大,曲率越小应力越小,当曲率为0时,路径AD上熔覆层的应力为488 MPa。(3)特征点采集温度与仿真历史温度曲线变化趋势一致,较好地还原了温度场的变化过程,熔覆层深度实验结果与仿真结果误差为4.52%,稀释率变化趋势均有较高吻合度,温度场模拟正确;实验测量内壁熔覆层上残余应力700~800 MPa,仿真结果为600~700 MPa,较好的验证了模型的准确性。(4)冷却速率影响晶粒的大小,冷却速率越大,晶粒越细小。硬度随功率的减小、扫描速度、壁厚的增大而增大,平板上的硬度略大于内壁上的硬度。本文通过数值模拟得到的热-应力演化过程结果,将有助于理解内壁熔覆过程中温度及应力的分布,为激光内壁熔覆技术提供理论基础。