对比三种磁场强度下激光表面熔覆316L不锈钢涂层的显微组织与性能,分别采用三维激光扫描共聚焦显微镜、金相显微镜及扫描电子显微镜拍摄三种熔覆层的表面形貌、金相组织及摩擦磨损形貌。结果表明,磁场的引入可以降低熔覆层的表面粗糙度,优化表面形貌。当磁场强度达到400 mT时,熔覆层晶粒得到显著细化,同时气孔和裂纹减少,平均显微硬度达到573 HV,提高幅度达25%,表面耐磨性能也因此得到显著提高。

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。

利用稳态磁场辅助激光熔凝，在不改变激光工艺参数的条件下，抑制了熔凝层表面的波纹。同时，建立了考虑熔池内部的传热、对流、相变、电磁力和熔池表面形貌的多物理场耦合仿真模型。通过对比实验结果讨论了在稳态磁场作用下，熔凝层熔池内部温度场和流场的变化规律以及表面波纹的抑制原理。结果显示，稳态磁场所提供的洛伦兹力为抑制熔池对流的阻力，其方向与熔池对流方向时刻相反。随着磁场强度的增加，熔池内部的整体流速逐渐降低，但温度场的变化不甚明显。当稳态磁场的强度大于0.5 T时，熔池形状发生变化，熔凝层表面的波纹高度明显降低，但金相组织基本不变。

在激光熔覆过程中，对熔覆层凝固组织的传统调控是通过改变激光功率、扫描速度、光斑大小等参数来实现的，但此类调控方法只能改变熔覆层熔池的传热边界，调控效果有限。为了实现对熔覆层熔池中传热传质行为的趋向性控制，有效调整凝固组织的形态、大小和方向，利用电-磁复合场的协同作用，产生方向、大小、频率可控的洛伦兹力，驱动或阻碍熔覆层熔池的对流运动，影响其凝固过程。仿真和实验有效证实了电-磁复合场协同作用对熔池所产生的影响力要远大于单一稳态磁场，是一种强有力的熔覆层组织调控手段，并有望提高通过激光组合增材制造的轮机高温部件的疲劳寿命和降低凝固组织的内部缺陷，将其推广应用于熔凝、合金化、焊接等其他激光加工领域。