激光熔覆技术以其快速冷却组织细化、选材宽泛工艺灵活、界面结合良好冶金及涂层稀释率可控等特点,已成为表面涂层制备领域的关键技术之一。但在实际应用过程中,熔覆涂层内部气孔微裂纹、严重的成分偏析及凝固组织可控性差等诸多问题严重制约了该技术在表面工程领域的进一步推广。本文针对激光熔覆层中组织分布不均匀及成分偏析等问题,提出电磁/超声复合能场辅助激光熔覆涂层制备新工艺,以钴基合金涂层为研究对象,综合运用理论分析、数值模拟与实验研究相结合的方法,探讨能场对熔池凝固过程中对流、传热与传质的影响机制,揭示能场对涂层组织演变及成分偏析影响规律。在此基础上,进一步研究能场对钴基涂层耐磨性能和抗高温氧化与热腐蚀性能改善机理。主要内容如下:(1)系统分析能场对熔池内部对流、传热与传质的影响。基于激光与材料相互作用理论,研究熔池内的液体在兼受浮力和表面张力作用下引起的Marongoni对流行为,分析熔池内温度差和浓度差引起的对流驱动力对熔覆层成分分布和传热方式的影响;在综合考虑熔池存在时间极短及多参数耦合影响的基础上,深入探讨外加电磁场、超声场及其复合能场对激光熔池的作用机制,明晰能场诱导移动熔池的冶金动力学特性及热质传输行为,为揭示能场作用改善熔覆层成分分布、均化显微组织及提高力学和高温性能提供理论依据。(2)搭建电磁/超声复合能场实验装置并开展激光熔覆涂层制备实验。基于现有IPG-2kW光纤激光加工系统,采用空间可变的双励磁线圈来形成特定磁场位形,并与产生纵向高频振动的超声波振动装置进行耦合集成,构建电磁/超声辅助激光熔覆实验平台。以熔覆层宽高比和稀释率为指标,使用综合评分法对经正交试验得到的熔覆层宽度、高度和稀释率数据进行分析处理,获得兼顾宽高比和稀释率的激光熔覆工艺参数优化组合;在此基础上引入电磁/超声复合能场,进行单一能场与复合能场辅助激光熔覆制备钴基涂层的系列实验,研究外加能场强度对熔池作用及其显微组织的影响;通过数值模拟方法研究不同能场强度作用下的熔池温度场动态变化,为能场参数的选择及优化提供依据。(3)探索能场对熔覆层组织演变及成分偏析的影响。以单道激光熔覆钴基涂层为研究对象,通过理论分析与数值模拟研究熔池热历程及组织形态形成机制;综合使用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)及XRD射线衍射仪等实验手段,分析有无能场辅助的熔覆层组织形态、相组成、二次枝晶臂间距及合金元素Cr和C宏微观偏析程度,探索复合能场对涂层凝固相变过程中晶核形成和生长所需过冷度的影响,揭示电磁/超声复合能场辅助激光熔覆凝固动力学特性及其晶粒均化与细化机理;对比分析单一电磁场、单一超声场及其复合能场对主要合金元素宏/微观偏析的作用效果及影响机制,基于能场对成分分布和组织演变调控结果,讨论有无能场辅助熔覆层显微硬度Weibull分布和摩擦磨损性能。(4)深入研究能场作用下的熔覆层高温氧化及热腐蚀行为。使用SEM及EDS观察涂层在650℃、750℃和850℃温度范围内氧化100小时后的氧化膜形貌和元素分布,根据氧化动力学曲线建立熔覆涂层的氧化动力学模型,分析氧化温度和显微组织对涂层高温氧化性能的影响规律,探究能场作用下涂层表面氧化产物微观形貌、物相组成及抗氧化性元素Cr浓度梯度的变化,明晰复合能场对涂层抗高温氧化行为作用机制。开展能场辅助熔覆涂层在750℃温度下暴露100小时后的热腐蚀性能研究,结合腐蚀表/截面形貌及截面元素面扫描,阐明能场作用下涂层抗热腐蚀行为机制。