航空发动机作为国之重器,被誉为“工业皇冠上的明珠”,对国民经济和科技发展有着巨大带动作用,是国家安全和大国地位的重要战略保障。单晶高温合金高压涡轮叶片是发动机的动力核心部件。在长期服役于极端高温、高压及高应力的环境中,单晶叶片会出现损伤导致失效,高昂的更换成本极大提升了单晶叶片的修复需求。单晶叶片激光修复技术被国际知名发动机公司长期垄断并实行技术封锁,该技术也是我国科技创新2030-航空发动机及燃气轮机领域中亟待攻克的“卡脖子”技术之一。本文针对单晶高温合金激光熔化沉积中存在单晶连续外延生长控制困难、沉积区内易产生严重影响高温性能的热裂纹及杂晶缺陷等问题,以CMSX-10第三代单晶高温合金为研究对象,采用试验与理论计算相结合的方法,研究了CMSX-10单晶高温合金激光熔化沉积特性,热裂及杂晶缺陷形成机制,提出了磁场耦合激光熔化沉积方法,为实现单晶高温合金高效绿色修复提供理论基础。为解决单晶连续外延生长困难的问题,研究了单晶的激光熔化沉积特性。随着沉积区的高度提升,温度梯度下降并伴随凝固速度上升,从单晶沉积区底部到顶部依次形成平面晶、胞状晶、柱状树枝晶及等轴晶组织。证实了激光熔化沉积技术修复单晶的可行性。随着激光功率的升高及扫描速度的下降,单晶的外延生长高度提升而外延生长率下降;送粉速率增大,外延生长高度先升高后降低,外延生长率显著降低。基于柱状晶-等轴晶转变修正判定准则,获得了激光加工条件下CMSX-10单晶高温合金组织选择图。提出了间歇沉积与动态沉积策略,相比于传统连续沉积策略,外延生长高度从1.7 mm增加到3.8 mm及4 mm,外延生长率从40%提升到90%及92%。为了解决沉积区内易形成严重影响高温性能的热裂纹及杂晶缺陷等问题,研究了单晶高温合金沉积区热裂纹形成机制。CMSX-10单晶沉积区内热裂纹不仅在大角晶界处形成,而且在小角晶界处形成,最小晶界角为6.9°。热裂纹的形成取决于稳定液相薄膜、应力集中及富Re析出相的共同作用。液膜的稳定性取决于与晶界角相关的枝晶凝并过冷,CMSX-10合金形成稳定液膜的最小晶界角为4.2°,即该合金热裂纹形成的临界角。小角晶界处（6.9°晶界）枝晶凝并过冷度为178 K,远大于晶粒内部枝晶间液膜形成的敏感温度区间38 K。沉积区中心区域的拉伸应力集中驱动热裂纹的萌生与扩展。富Re析出相通过钉扎作用抑制液相补缩进一步促进了热裂纹形成。揭示了单晶沉积区内部杂晶的形成机制,建立了熔池内部Marangoni对流与转向枝晶交汇处杂晶的关系。阐明了沉积区与基体之间熔合界面处杂晶形成机制:由于熔合界面处基体一侧存在的枝晶间析出相及共晶相,熔化过程中导致了固液界面发生失稳塌陷,温度梯度方向的改变导致该处胞晶生长偏离原有方向而形成杂晶。揭示了转向枝晶交汇处杂晶形成机制:基于枝晶最小生长速度准则获得了熔池形貌与转向枝晶交汇处杂晶的关系,并阐明了波状熔池形貌对该种杂晶的促进作用。揭示了Marangoni对流促进圆弧状熔池向波状熔池的转变机制。建立了Marangoni对流促进转向枝晶交汇处杂晶形成的关系。基于热裂纹与杂晶的形成机制,提出了外加磁场辅助激光熔化沉积方法,实现对沉积区内部缺陷的调控。施加横向及纵向稳恒磁场后,促进熔池形貌由波状向弧形转变,显著抑制了熔池内部的Marangoni对流,且抑制效果随着磁场强度的增大而变强。磁场的加入促进了沉积区内部由胞状晶向柱状树枝晶的转变。揭示了稳恒磁场对熔池流动的抑制机制:Marangoni对流携带导电液相切割磁感线运动产生感应电流,感应电流与磁场进一步交互作用形成与原来液相运动方向相反的Lorentz力,抑制了熔池内部的Marangoni对流。阐明了固液界面梯度溶质引起的梯度磁场进一步促进了溶质富集而促进转变的原因。最终,基于纵向稳恒磁场辅助激光熔化沉积方法进行多层修复,实现了对沉积区内部杂晶及热裂纹缺陷的抑制,获得了高度为5 mm以上的全单晶组织。