为了研究激光沉积薄壁件的高度对残余应力分布的影响规律，建立了热力耦合有限元模型，并模拟了激光沉积316L不锈钢薄壁件的温度场和应力场。将测试结果与模拟结果进行对比，验证了模型的正确性。结果表明：随着高度的增加，沿着高度方向的纵向应力从均匀分布的较大拉应力逐渐转变为下部拉应力较小、上部拉应力较大。边界处的竖直方向应力随着高度的增加而逐渐增大，且拉应力较大的区域，尺寸逐渐增大。沿着长度方向的纵向应力随着高度的增加而略有减小。由于沉积带来热循环，下层的纵向应力逐渐消减。随着高度的增加，薄壁件底部的竖直应力逐渐变为两端呈拉应力、中间呈压应力，且应力大小随着高度的增加而增加。

为了研究高温合金激光熔覆涂层组织演变及力学性能, 采用激光熔覆技术在2Cr25Ni20耐热奥氏体不锈钢表面制备镍基NiCrFeMo高温合金涂层。使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、能量色散光谱仪、显微硬度计等微观分析测试手段对该镍基高温合金涂层的微观组织形貌、物相种类、界面元素分布与偏析、各区域的硬度进行分析。结果表明,基材与熔覆层结合位置至熔覆层顶部, 依次由多种晶粒形态生成；Nb与Mo元素在熔池金属液体对流作用下向基材发生扩散, 其它元素基本无扩散；熔覆层存在物相有γ-Ni和Cr2Fe14C, 熔覆层结合位置包含物相Fe2Ni3,γ-（Fe,Ni）和Ni0.9Nb0.1；基材显微硬度平均值为252HV0.3左右, 熔覆层显微硬度平均值为285HV0.3左右；经常温拉伸试验, 与2Cr25Ni20钢力学性能比较, 2Cr25Ni20钢修复件抗拉强度升高, 强度增大, 断后伸长率明显下降, 塑性降低。此研究为后续钢炉转轴修复提供了可行性方案。

激光金属沉积(LMD)传统上多采用固定的工艺参数进行扫描堆积成形, 每层的实际堆积高度一般是固定且不可控的。为提高成形稳定性和成形件的精度, 补偿堆高误差, 开发了一种可实时变化工艺参数的堆高闭环控制系统。通过反馈实际堆高与设定期望层高之间的误差, 控制实际堆高达到设定值。设计P和PI两种控制器, 分别以扫描速度和激光功率作为输入参量来控制实际堆高。结果表明, 变扫描速度控制优于变激光功率控制, 实际层高的最佳稳态波动范围可达±0.015 mm; PI控制器可使总堆高达到期望值; 当送粉速率发生突变时, P控制系统具有良好的鲁棒性; P控制器的阶跃响应曲线与成形件剖面纹理显示的堆高变化一致。该系统为堆高的可控和堆高误差补偿提供了新方法。

为降低高沉积率激光金属沉积(Laser Metal Deposition, LMD)工艺中材料的孔隙率, 研究了以镍基高温合金Inconel 718(IN718)为粉末沉积材料的高沉积率LMD工艺中主要工艺参数对材料孔隙率的影响, 以及通过调整工艺参数降低材料孔隙率的方法。以目标沉积率为2 kg/h的LMD工艺为基础, 通过参数固化和分离的手段开展了高沉积率LMD的镀层实验, 研究了主要工艺参数即激光功率、扫描速度及送粉量对LMD镀层材料孔隙率的影响, 分析了不同参数下各镀层的横截面孔隙率及镀层孔隙率。实验显示: 当激光功率从1 440 W增加到4 214 W时, 镀层材料的孔隙率从约1.5%降低至0.02%左右; 当扫描速度为500 mm/min至5 000 mm/min时, 镀层材料孔隙率始终保持为0 07%至0 18%左右; 当送粉量从0.64 kg/h增加至6.48 kg/h时, 镀层材料孔隙率从约0.01%增加至0.84%左右。可见在高沉积率LMD工艺中, 扫描速度对材料孔隙率无明显影响, 而提高激光功率、限制送粉量均可有效降低LMD材料孔隙率, 提高横截面孔隙率的一致性。

激光金属沉积成形过程中, 送粉喷嘴结构参数一定时, 载气式同轴送粉喷嘴的粉末流场主要受送粉参数影响如载气速度、送粉量。为了进一步改善现有送粉喷嘴的汇聚性和提高粉末利用率, 基于固气两相流数值计算模型, 应用FLUENT软件模拟两种因素对同轴送粉喷嘴粉末流场的影响。结果表明: 载气流速过小则会导致粉末流汇聚焦点浓度较低; 载气速度过大则焦点形状不规则, 降低成形表面质量; 载气流速过小或者过大都会导致粉末利用率降低。送粉量主要影响粉末流焦点中心的汇聚浓度和粉末流速度以及速度波动。数值计算结果对同轴送粉喷嘴设计和优化激光加工工艺参数具有一定的参考价值。

为了降低激光金属沉积成形过程中试样和基板间的温度梯度，减小和抑制成形过程的热应力，提高试样的成形质量，提出并设计了一种用于激光金属沉积成形的基板预热系统。该系统由基板预热器、智能比例微分积分控制器以及计算机串口温度采集反馈控制等3部分组成。利用自行研制的激光金属沉积成形设备和基板预热系统进行了成形实验。实验结果表明，基板预热可以改善试样的成形质量，降低成形过程的热应力。

为了降低成形过程的热应力，根据有限元方法中的“单元生死”技术，利用APDL语言编程实现了对多道多层激光金属沉积成形过程三维温度场的数值模拟，再现了成形过程中温度场的动态变化，得到了成形过程中模型温度场及温度梯度的分布规律。结果表明，试样同一纵断面上各节点虽然被激活的时间不一样，但它们具有相似的温度变化规律；试样内的温度梯度主要沿z轴方向分布，基板内的温度梯度主要沿平行基板方向分布，具有明显的分层现象，熔池区的温度梯度非常大。在相同的工艺参数下，实际成形试样的扫描电镜照片与模拟结果吻合很好。