激光熔覆作为一种新兴的表面改性技术,其热输入高、加工时间短及变形小的特点,使涂层和基体易形成冶金结合且稀释率低,涂层性能得到良好的保证,因此广泛应用于工业各个领域。Ni基合金有着良好的高温抗氧化性和耐蚀性,WC陶瓷有着高硬度和高耐磨性的特点,由Ni基合金和WC陶瓷结合形成的金属陶瓷复合涂层可兼具二者的优点,因此广泛应用于航空航天、石油化工、海洋工程等工作环境复杂的领域。但Ni基WC涂层存在着明显的裂纹缺陷问题,影响涂层性能,需对其进行改善,提高涂层的服役强度和服役寿命。本文以NJ30-5+35%WC粉末为熔覆材料,直径50mm的45#钢棒材为基体,基于工艺试验结果,对涂层的开裂成因进行组织结构和力学因素分析,利用数值模拟对激光熔覆试验进行温度场和应力场规律分析,通过基体预热手段对涂层裂纹进行抑制并将预热涂层与无预热涂层进行了性能对比。首先进行了激光熔覆Ni基WC复合涂层的工艺试验,探究工艺参数对涂层成形的影响规律,发现过大或过小的激光功率和搭接率都会导致涂层表面成形不良,涂层厚度受搭接率影响较大,稀释率受激光功率影响较大;探究工艺参数对涂层裂纹的影响规律,发现涂层宏观裂纹特征为横向贯穿裂纹,裂纹率受激光功率影响较大。熔覆层多在熔合线附近、中部WC颗粒附近、熔覆层近表面处出现由热应力导致的小尺寸局部冷裂纹,熔覆层内部也存在少量的热裂纹,大尺寸裂纹扩展方向垂直于熔合线,贯穿整个熔覆层止裂于基体,或者非贯穿熔覆层止裂于熔覆层内部,断口呈现出解理断裂的典型特征。涂层裂纹形成机理的显微组织结构及力学因素分析,发现WC颗粒与Ni基合金和Ni基合金与45#钢基体之间的热胀系数差异易导致较大的热应力,在熔合线附近及WC颗粒附近形成冷裂纹;孔洞类缺陷导致缺陷边缘产生应力集中,从而成为优先开裂的裂纹源;γ相+MC碳化物和γ相+γ′相都会形成低熔点共晶,杂质元素S富集也会形成低熔点共晶,低温下形成液态薄膜,易成为涂层热裂纹的裂纹源。同时对涂层进行力学性能测试,发现涂层具有良好的韧性,在不同工艺参数下试样的断裂韧性数值均大于10MPa·m1/2。进行激光熔覆温度场和应力场模拟,对温度场特征分析发现,熔池不同深度峰值温度由表面至底部逐渐下降,且峰值温度差逐渐拉大;温度梯度与熔池深度大致呈正相关关系,温度梯度范围在5.5×10~5K/m～44×10~5K/m;冷却速度与熔池深度的大致呈负相关关系,冷却速度范围在10.4×10~5K/s～3.0×10~5K/s;对于应力场特征,在横向路径上,涂层与基体边界约束处存在拘束应力,出现应力峰值,横向拉应力、纵向拉应力和厚向拉应力的最大值分别达到了375MPa、670MPa和7MPa,导致涂层裂纹由两侧边缘向涂层中间部分扩展延伸,在中部交接重合形成横断裂纹;在涂层厚度方向上,熔合线附近的横向和纵向拉应力保持峰值状态,其中纵向拉应力为720MPa,横向拉应力为250MPa,厚向几乎不存在应力,基体位置由于相变压力向下横向和纵向拉应力迅速转为压应力,因而裂纹从熔合线起裂后将会自下向上延伸扩展,最终止裂于涂层内部。预热温度到300℃及以上,涂层裂纹得到有效抑制,预热导致涂层稀释率增加,但仍保持在2%以下。预热300℃涂层与无预热涂层作组织性能对比,预热涂层组织更为粗大,但物相组成无明显变化;显微硬度和弹性模量分别为538.6HV和252GPa,比无预热涂层下降2%以内,摩擦系数下降约12.5%,耐磨损性能略有下降,耐蚀性约是无预热涂层的2倍。