针对激光熔注WC涂层中增强颗粒聚集及熔注层开裂的问题，将超声引入激光熔注过程，在316L不锈钢基板上开展了不同送粉速率下的超声辅助激光熔注WC颗粒实验研究，分别采用不同单元内WC颗粒的数密度与Voronoi单元面积的离散系数来评价WC颗粒的聚集位置与均布程度，对比分析了超声对WC颗粒熔解程度、聚集位置、均布程度与熔注层裂纹的影响。结果表明：无超声作用下且送粉速率较大时，WC颗粒在熔注层两侧边缘聚集；当送粉速率为2~8 g/min时，超声作用下的Voronoi单元面积离散系数相比无超声作用时减小了18.7%~43.5%。这表明超声可以显著改善WC颗粒的局部聚集现象，提升WC颗粒的均布程度，从而进一步抑制熔注层裂纹的萌生。

采用激光熔注技术在Ti-6Al-4V表面制备了ZrO_2p热障涂层,利用X-射线衍射、电子背散射衍射及扫描电镜技术,研究了激光熔注过程中ZrO₂颗粒的组织演变规律。结果表明:通过原子固态扩散,团聚态ZrO₂颗粒内的微粒尺寸增大,并由球状变为多面体状;激光熔注后,ZrO₂颗粒中未发现单斜相(m-ZrO₂);35%的稳定四方相(t'-ZrO₂)转变为立方相(c-ZrO₂);内应力降低,导致90%的正交相(o-ZrO₂)转变为c-ZrO₂。单个微粒内同时存在块状和纳米颗粒状t'-ZrO₂和c-ZrO₂,残留的o-ZrO₂集中分布于微粒界面。ZrO₂的组织演变使得微粒间的结合强度降低,促使ZrO₂大颗粒离散成细小颗粒,提高了涂层的防热性能。

对激光熔注过程进行了多物理场仿真, 分析了电磁复合场参数对熔池内部流场、温度场和颗粒分布的影响规律, 并通过实验进行了验证。结果表明, 电磁复合场的施加可抑制熔池流速, 但对其温度场的分布无明显影响。当施加与重力同向的定向洛伦兹力时, 大部分增强颗粒集中在熔注层上层区域; 反之, 大部分增强颗粒集中在下层区域。

以铸造WC作为增强颗粒, 配合NiBSi自熔合金粉末, 采用激光熔注技术制备WC/NiBSi颗粒增强复合材料层。利用XRD、SEM和EDS对复合材料层的物相和微观组织进行表征分析, 利用维氏硬度计对复合材料层沿深度方向进行测试分析, 进行了室温干滑动摩擦磨损实验, 分析了复合材料层的耐磨损性能。研究表明, 复合材料层相组成主要有WC、W2C、M6C、(Fe, Ni), 碳化物主要以块状和破碎状存在于金属基体。复合材料层的平均硬度分别为525.04 HV0.2(L)、543.05 HV0.2(M)和564.92 HV0.2(H), 较基材有显著提升。复合材料层的磨损体积分别为淬火态H13钢的45%(L)、33%(M)和21%(H), 耐磨损性能优异。

采用元胞自动机法和有限元法, 将宏观温度场与微观晶粒生长相耦合, 建立了激光熔注316L复合涂层晶粒生长模型, 研究了非均匀温度场条件下复合涂层的晶粒生长, 及增强相颗粒体积分数和颗粒尺寸对晶粒生长的影响。结果表明: 激光熔注复合涂层晶粒大小分布随熔池深度方向变化而变化, 熔池表面呈细小的等轴晶, 熔池底部晶粒粗大; 增强相颗粒体积分数含量越高, 晶粒生长越慢, 晶粒尺寸越小; 增强相颗粒尺寸越小,晶粒生长的越慢, 晶粒尺寸越小, 组织越均匀。

为了研究稳态磁场对激光熔注硬质颗粒强化涂层显微组织和性能的影响, 在316L不锈钢基体上制备了碳化钨(WC)颗粒分布可控的强化涂层。借助扫描电子显微镜(SEM), 能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)等表征手段对激光熔注层进行微观组织和物相分析, 利用维氏硬度计测试了激光熔注涂层截面显微硬度分布, 通过摩擦磨损实验研究复合涂层的磨损性能。结果表明, 熔注涂层物相主要由γ(Fe-Ni)固溶体、WC、W2C和Fe3W3C组成。在稳态磁场辅助下, 涂层的平均硬度为510 HV0.3; 涂层的摩擦系数为0.7, 较未添加稳态磁场的涂层降低了30%, 耐磨性能得到明显改善。

利用稳态磁场辅助激光熔注，在316L不锈钢基体上成功制备了碳化钨(WC)颗粒分布可调的WC/316L金属基梯度复合材料涂层。讨论了激光熔注时稳态磁场对复合材料涂层中硬质颗粒的分布和组织的影响。研究结果表明，稳态磁场可以抑制熔池流动，降低颗粒在熔池中受到的拖曳力，且随着磁场强度的增大，WC颗粒集中分布在复合材料表层的趋势增大；稳态磁场未改变复合材料层表面的物相种类，但表面的W相含量明显增多，且可使复合材料层表面的共晶组织数量增多、尺寸变大。

针对铝合金激光熔注(LMI)工艺过程中对激光反射率高、表面存在氧化膜且导热率高等主要问题,开发了激光钨极氩弧(TIG)复合熔注工艺。研究了激光-TIG复合方式,送粉方式,送粉载气流,TIG保护气流,激光功率,TIG电流等工艺参数的影响。研究发现,为实现有效的熔注强化效果,应选择后送粉方式;熔注层深度随TIG电流增加单调增加,随激光功率增加熔注层深度呈先增后降。送粉载气和TIG保护气相互匹配,是影响熔注工艺的关键因素。通过工艺参数匹配和优化,成功制备了WCp/Al表面复合材料层。熔注层厚度为0.5-4.3 mm,深度可根据需要通过合理调节工艺参数来控制。

采用激光熔注(LMI)技术在Ti-6Al-4V表面制备了WCp/Ti-6Al-4V梯度复合材料(MMC)层，对其形成机制进行了研究。研究结果表明，WC颗粒在复合材料层中的分布与其初始速度v0、穿越熔池表面最小临界速度vmin以及熔池粘度η有关。由于WC陶瓷颗粒密度大，在激光熔注过程中具有较高的动能，熔池粘度不再是决定梯度复合材料层形成的关键因素。对于WC/Ti材料体系，熔池凝固前沿是形成WCp/Ti-6Al-4V梯度复合材料层的重要因素，复合材料层不同深度范围内WC颗粒的数量由这一深度熔池凝固前沿长度所决定。WC颗粒注入位置对其在复合材料层中的分布有很大影响。在WC颗粒由熔池后部“拖尾”注入的情况下，该区域熔池深度较浅，WC颗粒遇到的熔池凝固前沿位于较高的位置，大多数WC颗粒被“冻结”在复合材料层的上部，进而形成了WCp/Ti-6Al-4V梯度复合材料层。

采用激光熔注(LMI)技术在Q235钢表面制备WC颗粒增强的金属基复合材料(MMC)层。在激光熔注工艺特性和熔注层宏观特征分析的基础上, 采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对激光熔注层微观组织结构进行了分析。结果表明, WC颗粒注入到熔池的整个深度和宽度范围内, 并且在熔注层中的分布比较均匀。WC颗粒的加入改变了熔池的化学成分, 熔注层中出现了新相Fe3W3C。在熔注层上部存在较多Fe3W3C枝晶和少量枝晶间共晶, 在熔注层下部枝晶数量减少, 共晶数量明显增多。激光熔注层中不同WC颗粒周围反应层的尺寸和形貌存在很大差别。WC颗粒注入位置是决定反应层尺寸的重要因素。