TC4钛合金具有比强度高,耐蚀性好,耐热性高等优点,被广泛用于航空、石油、化工等产业的关键构件制造。这些构件在极端工作条件下对缺口极为敏感,部分损伤就可能导致构件报废。由于关键零部件整体更换成本极高,为了降低经济损失可以考虑受损构件的再制造。激光金属沉积是一种倍受青睐的增材制造技术,可以有效恢复构件的尺寸与机械性能。但是单一的激光增材制造技术已经无法满足再制造钛合金构件在极端工作条件下的服役需求。激光复合增材制造技术作为近年来新兴起的一种再制造技术,通过在增材制造过程中引入塑性变形来调控沉积层残余应力分布,细化粗大柱状晶组织,从而改善力学性能。本文以TC4钛合金为研究对象,基于数值仿真和试验分析,研究了TC4钛合金激光沉积过程中温度场变化与不同层数表面激光冲击对沉积层表层残余应力与微观组织的影响;在此基础上,采用激光复合再制造工艺对预制沟槽进行修复,并对再制造沉积层的微观组织和修复件的力学性能进行了分析。最终研究发现,激光复合再制造工艺可以改善沉积层残余应力分布,调控微观组织,从而有效提高修复件的力学性能。具体研究内容和结果如下:(1)通过ANSYS和ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立了激光沉积和激光冲击强化的有限元模型,研究了激光沉积过程的三维瞬态温度场和多层激光冲击对沉积层表层残余应力的影响,为激光沉积复合层间激光冲击的试验提供了理论依据:三维瞬态温度场表明激光沉积时光斑所处区域温度迅速升高形成熔池,光斑离开后又快速冷却,基体重熔深度约0.3mm,沉积层与基材可以实现冶金结合。冷却后沉积层表层存在垂直于扫描方向的残余拉应力,此外,表面激光冲击强化可以使表层残余拉应力转化为残余压应力,3层激光冲击后表面残余压应力平均值的大小和残余应力层影响深度达到最大值,分别为435.78 MPa和0.98 mm。(2)研究了多层激光冲击强化对TC4钛合金沉积层表层的微观组织、残余应力与显微硬度的影响:多层激光冲击强化在沉积层表层诱导产生了大量孪晶和高密度位错,使晶粒尺寸得到了细化,α板条的尺寸从未处理试样的10μm降低至6μm。1层、2层和3层激光冲击强化后沉积层表面的平均残余压应力分别为260.7 MPa、398.3 MPa和474.8MPa,残余应力深度分别为0.7 mm,0.83 mm和0.85mm;表面显微硬度平均值分别为372 HV、388.5 HV和405.4 HV,影响深度分别为0.7 mm、0.8 mm和0.9 mm。结果表明随着冲击层数增加,沉积层的表面平均残余压应力、残余压应力层厚、表面显微硬度平均值和影响深度均会增加,但是强化效果随层数增加明显下降。(3)采用激光复合再制造工艺修复了预制沟槽的TC4钛合金,分析了沉积层沿深度方向残余应力的变化、微观组织演化和显微硬度变化,探讨了沉积层的晶粒细化机制;并分析了修复件的拉伸性能和断裂特征:层间激光冲击前后沉积层沿深度方向的残余应力对比表明表层区域的残余拉应力变化不大,表面1.2 mm以下区域的残余拉应力下降约20 MPa;深度方向的显微硬度从未引入层间冲击的360 HV提升到403 HV;由于动态再结晶作用,沉积层内部的柱状晶生长受到抑制,层间激光冲击强化处理的沉积层界面出现大量较小等轴晶,α相尺寸减小;激光复合再制造工艺能够恢复TC4钛合金基板98%的极限抗拉强度和97%的屈服强度,高于单一激光沉积修复的90.3%和86%,但伸长率从8.86%降低到6.62%。此外,拉伸样的断裂位置都处于基材区域,复合修复工艺的试样断口韧窝更小更密集,且有分层现象。