残余应力问题是激光熔覆增材制造及再制造大规模商业化应用最亟待解决的问题之一。激光熔覆过程剧烈的温度场演化必然伴随应力、应变演化,导致零件产生较高的残余应力,残余应力将影响零件的服役性能和安全,甚至使零件在制造过程中由于开裂和变形而报废。但是,现有对残余应力的测量手段大多仅限于表面残余应力对实际生产的指导作用有限。因此,研究激光熔覆过程中应力沿深度方向的演化规律及机理,更好地实现残余应力水平及分布的调控,具有非常重要的科学意义和现实意义。本文系统地研究了激光熔覆再制造过程中沿熔覆深度方向的组织、硬度、残余应力演化,阐述了激光能量密度对应力场演变的影响规律及机理,探讨了通过调控热输入来调整残余应力水平及分布的方法。首先,利用基于同步送粉的激光熔覆技术在Q345钢表面制备两组参数完全相同的单层厚度小于1mm、组织致密、高硬度的Fe基熔覆试样。采用着色探伤的方法对熔覆试样表面进行了裂纹统计,建立了激光熔覆能量密度与裂纹敏感性之间的相关性,讨论了影响激光熔覆表面宏观形貌的主要因素,得到了在特定材料下的最佳激光熔覆工艺参数。其次,采用扫描电镜和线扫描技术,研究了不同激光能量密度下熔覆层和热影响区的组织演化规律,分析了在不同激光能量密度下从熔覆层到热影响区的元素分布规律,总结了激光能量密度对熔覆层成形性、热影响区和熔覆层显微组织及硬度的影响规律,揭示了Q345钢熔覆层的强化机制,获得了成形较好,热影响区宽度约为0.7mm的熔覆层,熔覆层硬度为420~592HV,主要由相变强化和固溶强化引起,随激光能量密度增加而上升。然后,采用基于电化学腐蚀和X射线衍射的剥层法对另外一组参数完全相同的试样进行了熔覆层表面到热影响区的残余应力测量,并依据材料力学的相关知识对测量值进行了修正。表征了残余应力沿深度方向的分布规律,讨论了激光能量密度对激光熔覆残余应力的影响机制,揭示了残余应力与宏观裂纹分布之间的内在联系,获得了降低残余应力水平的最佳能量密度区间。最后,基于堆积策略对激光熔覆残余应力的影响,采用正交实验法,改变激光熔覆过程中的熔覆路径,讨论了不同熔覆路径下激光能量密度对熔覆表面裂纹分布的影响规律,采用剥层法得到了不同熔覆路径下激光能量密度对激光熔覆试样熔覆层和热影响区残余应力分布的影响机制,建立了激光熔覆能量密度-残余应力-宏观裂纹三者之间的关系链。该论文有图38幅,表7个,参考文献81篇。