为改善熔化极气体保护堆焊工作效率低、人工成本高等问题, 采用等离子堆焊技术, 以H13钢粉末作为焊材对热作模具钢母材(5CrNiMo)进行堆焊试验。研究焊接电流对焊接熔深、熔宽、微观结构以及堆焊层裂纹倾向性的影响, 探讨了焊接裂纹形成机理。结果表明, 焊接熔深与熔宽都随着焊接电流的增加逐渐增大。堆焊层的显微组织由马氏体和残余奥氏体组成。随着焊接电流的增加, 堆焊层中部马氏体枝晶逐渐粗化。多层焊接时, 层间界面上方奥氏体含量明显多于下方。焊接电流变化时, H13堆焊层的裂纹敏感性较大, 堆焊层的裂纹按形成机理主要分为应力诱发裂纹和缺陷诱发裂纹。当焊接电流为150 A时, 可以获得裂纹缺陷数量较少的堆焊试样。通过等离子堆焊的方法, 实现了热作模具的快速堆焊, 为后续等离子堆焊填充热作模具提供指导。

采用激光熔覆和钨极氩弧堆焊方法在Q235钢基体表面分别制备Fe55合金涂层。应用金相、X射线衍射、显微硬度及磨粒磨损等分析手段对涂层的组织和性能进行研究。结果表明，激光熔覆和TIG堆焊涂层的稀释率分别为4.42%和7.65%，并且两个涂层均由α-Fe固溶体和原位合成的颗粒增强相CrFeB、Cr7C3、(Cr,Fe)7C3及Fe2B等组成；以树枝晶和胞状晶为主的激光熔覆涂层组织比以等轴晶和胞状晶为主的TIG堆焊涂层组织细小致密；激光熔覆涂层的显微硬度和耐磨性均优于TIG堆焊涂层，平均显微硬度约为664 HV，磨损方式主要为显微切削。

为细化高碳高铬合金堆焊层中粗大初生碳化物, 提高堆焊层耐磨性能。以Q235为基材, 高碳高铬合金选取D632A焊条, 对比研究激光电弧复合堆焊试样与电弧堆焊试样。通过显微硬度测试和摩擦磨损试验, 分别评价堆焊层的硬度和耐磨性, 并通过光学显微镜对磨损前堆焊层显微组织进行观察和扫描电子显微镜对磨损形貌进行分析, 分析总结了高碳高铬合金激光电弧复合堆焊试样与电弧堆焊试样摩擦磨损性能差异的原因。在激光电弧复合热源作用下, 堆焊层显微组织中的M7C3初生碳化物由粗大条块状细化为细粒状,且均匀弥散分布。相对于电弧堆焊层, 激光电弧复合堆焊层平均显微硬度提高了约12.5%, 最大显微硬度达到了1 064 HV。激光电弧复合堆焊层的耐磨性较好, 相同条件下磨损质量为5 mg, 摩擦系数为0.38; 电弧堆焊层的耐磨性较差, 相同条件下磨损质量为7 mg, 摩擦系数为0.43。两种堆焊层磨损破坏的机制主要为疲劳破坏。激光电弧复合堆焊通过激光干扰熔池, 细化堆焊层中初生碳化物, 有效提高了高碳高铬合金堆焊层的硬度和耐磨性。

采用自主研发的分离式激光整形和环形反射聚焦系统,对小口径管件内壁进行了重熔,并对重熔后的试样进行了宏观成形与显微组织分析。结果表明:该系统无需旋转机构即可实现对口径在30 mm以下的管件进行内壁重熔;在优化的工艺参数条件下,重熔层成形质量良好,无螺旋形搭接边和焊接鱼鳞纹;熔池呈圆环形,可有效防止热裂纹的产生;随着激光扫描次数增加,重熔层的熔深先增大后变小;随着扫描速率增大,重熔层的熔深降低,表面粗糙度降低。

采用激光送丝堆焊技术对预置缺陷(缺陷深度0.4、0.8、1.2、1.6和2.0 mm, 样品厚度4 mm)的30CrMnSiNi2A超高强度钢进行修复, 对激光功率、激光扫描速度、送丝速度进行正交试验得出最佳工艺, 以获得性能优良的修复样品。利用光学显微镜(OM)、电子扫描显微镜(SEM)、显微硬度仪和万能试验机对修复件熔池尺寸、显微组织、显微硬度、抗拉强度和拉伸断口进行了研究。结果表明, 1.2 mm缺陷深度, 激光功率3.1 kW, 焊接速度0.9 m/min, 送丝速度2.4 m/min时, 修复件性能最佳, 抗拉强度达到原件设计标准, 断口出现在堆焊层。工艺参数影响着熔池质量尺寸参数, 包括熔深、堆焊层宽度和堆高, 从而影响修复件质量。根据缺陷深度, 采用各自的最佳工艺, 在预置缺陷深度0.4 mm、0.8 mm和1.2 mm的样品中, 抗拉强度基本达标, 超过1.2 mm时, 抗拉强度急剧下降,不达标。由此得到预置缺陷的样品临界修复尺寸是1.2 mm, 即占板厚的30%。

研究了自保护药芯焊丝激光-电弧复合堆焊的熔滴过渡行为。结果表明，激光的加入明显减小了电弧斑点的漂移概率，拉伸了电弧空间，改变了熔滴受力状态及其过渡行为。激光前置比后置时更有利于熔滴过渡和电弧稳定性的提高。自保护药芯焊丝激光-电弧复合堆焊的最佳工艺参数为：激光前置，激光功率2 kW，光丝间距+4 mm，光斑直径为2 mm，光丝夹角30°。当光丝间距小且激光功率为4 kW时，熔滴过渡形式由排斥过渡变为爆炸过渡。

研究了采用大光斑半导体激光进行表面堆焊时, 保持其它工艺参数不变, 不同的激光功率(900、1 100、1 300、1 500、1 700 W)在Q235基体上对Ni60合金粉末单道堆焊层熔深、熔宽、稀释率、显微组织及硬度、耐磨性的影响。研究表明, 随着激光功率的增加, 堆焊层熔深、熔宽、稀释率、枝晶尺寸均增加, 硬度、耐磨性降低。根据激光功率对单道熔覆层性能的影响, 选取最佳激光功率参数进行单层多道焊, 得到宏观形貌良好的堆焊平面。

为了提高低碳钢表面的耐磨性能，采用CO2激光堆焊系统，将Co基合金与WC混合粉末(WC的质量分数为0~0.47)用单道堆焊于低碳钢表面。利用X射线衍射仪、能谱分析仪、扫描电子显微镜、激光显微镜、维氏硬度计和耐磨试验机对单道堆焊层的相结构、显微组织、维氏硬度、耐磨性和裂纹敏感性进行了比较分析。结果表明，这种堆焊方法的堆焊层均为亚共晶组织，且未分解WC弥散分散在Co基合金的基体上; 堆焊层的维氏硬度均随WC含量的增加而增加。该方法具有较低的裂纹敏感性。

为提高F325堆焊层的韧性，进行了激光堆焊F325与钼丝的实验。利用金相显微镜、维氏硬度仪等设备分析、测试了堆焊层的显微组织和硬度。研究表明：激光堆焊可以得到晶粒细化，组织致密，无裂纹、气孔等缺陷，与基体冶金结合的F325/钼丝复合材料覆层; 钼丝外表面轻微熔化，与F325基体呈冶金结合; 钼丝加入后，使其周边的晶粒大大细化，并抑制了碳化物的长大; 钼丝与F325结合区的平均硬度为750 HV0.2，高于F325堆焊层的平均硬度650 HV0.2。

由于必须经受高转速、高压、高温等苛刻的工作环境, 航空发动机零部件在服役一段时间后会出现磨损、磨蚀、变形、开裂等损伤而无法继续正常使用, 重新制造并更换这些被判定为失效的零部件将给用户造成巨大的经济损失和时间损失。三维激光堆焊技术作为一项先进的修复技术, 能够实现损伤零件的高性能、快速响应修复, 和传统氩弧焊等修复工艺相比, 由于具有零件本体变形小、热影响区小、修复后零件性能几乎无损失等特点, 近年来该技术成为制造领域的研究热点并在航空发动机制造与大修中逐步开始获得应用。本文针对航空发动机叶片与热端部件的修复, 分析了影响三维激光堆焊技术获得工程应用的关键问题, 包括: (1)基于叶片损伤部位三维反求与重建数模的叶型精确堆焊与加工。(2)叶片本体与修复区界面处受热后裂纹。(3)定向凝固叶片/单晶叶片修复区组织的选择与控制。(4)激光修复后残余应力的消除及零部件本体的变形控制。在此基础上进一步评述了以上关键问题的解决途径。