激光熔覆成形技术作为一种先进的制造技术,具有柔性化程度高、加工材料范围广、力学性能优良等优势,在航空航天、汽车和武器装备等领域具有广阔的应用前景。但激光与材料相互作用急热急冷的特性容易造成熔覆层内部高的内应力,造成零件变形甚至开裂,严重影响了成形质量。熔覆成形过程的复杂性使得实验手段难以获得熔覆层内部温度、应力分布,而数值模拟技术为解决这一难题提供了有效手段。因此本文采取数值模拟与实验研究相结合的方法对激光内送粉熔覆成形工艺下熔覆层温度场、应力场进行了系统研究,以期为降低熔覆层残余应力与变形提供理论依据。本文利用ANSYS软件建立了有限元几何模型,采用单一控制变量法探讨了不同工艺参数下熔覆层温度场、应力场分布规律,发现激光内送粉熔覆成形工艺下激光光斑呈中空环形状,能量分布呈“马鞍”形,高能量分布在光斑两侧,光斑中心区域能量较低。负离焦量时有利于降低温度梯度,温度分布更均匀。采用分块扫描策略能显著降低温度梯度,温度场分布最均匀。沿激光扫描方向残余应力最大,熔覆层呈拉应力。沿熔覆层深度方向,残余应力随激光功率、扫描速度、基材厚度的增加逐渐上升;离焦量越大,残余应力值越小;随搭接率增大,残余应力先增大后减小。研究了不同扫描策略与约束方式对熔覆层残余应力及基材变形的影响规律,发现当基材处于无约束自由状态时,熔覆层最大残余应力较对基材进行约束时上升了31.6%,基材变形量增大了了 167%。当采用分块扫描策略时熔覆层残余应力最低。随着搭接率增大,基材变形量降低,搭接率为30%时基材最大变形量较搭接率为50%时上升了 49.3%。采用往复扫描时基材变形最严重,分块扫描策略时基材变形量最小,较往复扫描基材变形降低了 78%。结合熔覆层残余应力与基材变形来看,最优搭接率为50%,最佳扫描策略为分块式扫描。在数值模拟基础上进行了实验研究,包括激光光斑能量分布的测试、采用X射线衍射侧倾Ψ法进行了残余应力测量、利用Get Data软件对基材的翘曲变形量进行了测量,最后对显微组织分布及硬度性能进行了分析。数值模拟结果与实验测量结果较为吻合,验证了数值模拟的正确性。晶粒尺寸主要与冷却速度相关,从熔覆层底部到顶部,冷却速度增大,晶粒越细小均匀,硬度值与晶粒大小基本呈正相关关系;相较于0离焦量,负离焦量下的熔覆层硬度值更高,-1mm离焦量时硬度值最高,比0离焦量时硬度最大值增加了 34.6%。