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激光熔覆过程中产生的过大残余应力对涂层质量和性能有较大影响,但用来消除残余应力的传统方法过于繁琐且成本较高。为寻找一种高效、经济的残余应力消除方法,课题组前期开发了一种Fe-Mn-Si-Cr-Ni记忆合金涂层,试图利用Fe基形状记忆合金的应力诱导奥氏体向马氏体转变特性来消除激光熔覆过程中所产生的残余应力。实验表明该涂层具备较低的残余应力,但应力释放证据并不充分,且应力诱导奥氏体向马氏体转变对残余应力的具体影响也不清楚。为此,本文将通过试验与模拟结合的方式对激光熔覆Fe-Mn-Si-Cr-Ni记忆合金涂层的应力释放机理以及应力诱导固相转变对残余应力的影响进行分析研究。在试验中,利用YLS-6000型光纤激光器在304不锈钢表面制备了Fe-Mn-Si-Cr-Ni记忆合金涂层。首先采用金相显微镜和SEM对涂层横截面的微观组织进行观察分析,然后利用硬度测试仪、摩擦磨损试验机和X射线应力测试仪对涂层的显微硬度、耐磨性、以及残余应力进行测试,最后通过XRD和TEM对涂层的相组成、晶体结构及超微结构进行研究。在模拟中,采用有限元法建立一个热-结构顺序耦合的三维有限元模型研究激光熔覆Fe-Mn-Si-Cr-Ni记忆合金涂层的温度场与应力场,并利用应力诱导固相转变的三维热力学模型探索应力诱导固相转变对应力演化及分布的影响。试验结果表明:Fe-Mn-Si-Cr-Ni记忆合金涂层横截面从上到下的微观组织形貌分别为等轴晶,树枝晶,胞状晶,平面晶;涂层在硬度(260 HV0.2)略高于基材(220 HV0.2)的情况下表现出明显优于基材的耐磨性能;XRD测试发现涂层由奥氏体相和马氏体相组成,对涂层进行固溶处理后马氏体相消失;通过TEM观察到涂层中的微观组织有堆垛层错、初生马氏体以及二次马氏体。机械性能测试结果表明涂层在低硬度的情况下保持较高的耐磨性、XRD结果表明涂层中的马氏体具有可恢复性、TEM结果表明涂层中还存在应力诱导奥氏体向马氏体转变不同阶段的微观组织。这些结果均可论证激光熔覆产生的残余应力作为相变驱动力将奥氏体转变成马氏体,从而可推断出残余应力因此而降低。模拟结果表明:圆形光斑单道激光熔覆时,熔池的形状为半月形,其整体轮廓与实验观察较为吻合;圆形光斑多道激光熔覆时,涂层被反复加热,且热量的传导会使后续熔覆涂层的温度峰值升高;矩形光斑单道激光熔覆时的熔池与圆形光斑相比更宽,更浅,底部更平。圆形光斑多道激光熔覆计算得到的横向残余应力分布与试验测试的应力分布趋势基本一致,但因未考虑应力诱导固态相变导致了一定的误差。在模拟应力诱导固相转变对应力的影响中发现,应力诱导固相转变对涂层凝固后的应力演变有一定影响且能明显降低横向残余应力和纵向残余应力。在考虑应力诱导固相转变情况下所得到的残余应力值与残余应力分布更加符合试验所测。本工作为模拟应力诱导固相转变引起的应力应变变化提供了一种有效的方法,也为降低激光熔覆过程中产生的残余应力提供了一种新思路。