激光熔覆是利用高能激光作用下的材料快速熔凝工艺以实现高性能材料/涂层制备的先进加工技术。该技术已经广泛应用于增材制造、裂纹修复再制造、特种材料/涂层制备等领域,在航空、航天、航海等领域零部件制造、修复及防护涂层制备中起到重要作用。然而,单纯依靠调控激光熔覆工艺参数难以解决材料中存在的一些问题,如气孔、残余应力等,难以突破材料的固有极限,形成高性能的零件与涂层。基于此,本论文对激光熔覆组织性能调控方法进行了探索性研究,提出“石墨烯+静电场”复合调控的方式,通过316L不锈钢这一普适性的常用材料进行研究与验证,以实现316L不锈钢激光熔覆制备过程中的缺陷控制,提升材料的组织和力学性能。首先,研究了不同比例的石墨烯含量对激光熔覆316L不锈钢微观组织、物相和力学性能的影响及机理。通过对比不同比例石墨烯掺杂的熔覆层中微观组织的变化,分析了石墨烯对组织生长的影响及机理,发现石墨烯的掺杂可使熔覆层组织发生细化。石墨烯的存在可成为形核核心,促进熔覆过程中新的形核发生;石墨烯可存在于晶界处,抑制柱状晶的形成以及限制晶粒的进一步增大。通过对比显微硬度、抗拉强度和摩擦磨损系数,分析了石墨烯对熔覆层力学性能的影响,发现掺杂2 wt.%多层石墨烯的熔覆层具有更好的力学性能,其显微硬度、抗拉强度和摩擦系数相比于无石墨烯的熔覆层分别提高了44.91%、5.44%和下降了76.32%,熔覆层的显微硬度、抗拉强度和耐磨性能得以进一步提高。通过分析断口形貌、磨损形貌等,发现掺杂一定比例的石墨烯可较大程度得增强熔覆层的力学性能,辅助应力传导、抵抗材料变形。这是因为石墨烯的二维结构使其可与更多的316L不锈钢基质相结合,且微纳尺寸的石墨烯可存在于孔隙中,其优异的力学性能可辅助熔覆层抵抗更大的应力、阻挡微裂纹的扩展。但当熔覆层中多层石墨烯含量过高时,熔覆层的力学性能下降,甚至低于无石墨烯存在的熔覆层。其次,探索了不同方向和强度的静电场对激光熔覆316L的影响,对顺熔池方向与逆熔池方向的静电场调控熔覆层气孔、微观组织与晶粒取向的变化进行了对比分析。经测试发现静电场调控下熔覆层中孔隙率与气孔数量大幅下降。无静电场调控的熔覆层中孔隙率为6.347%,尤其当施加350 V/cm顺、逆熔池方向静电场后孔隙率分别降为2.753%、2.102%。静电场调控下熔覆层中微观组织的生长发生改变,不同方向的静电场对微观组织有不同的影响效果。在顺熔池方向静电场调控下,熔覆层中微观组织生长趋向于统一,偏向于激光移动方向生长,组织与基体间的夹角随静电场强度的增大而减小,夹角由76°降至34°。但当逆熔池方向静电场调控后,组织生长方向变得紊乱,与无静电场调控以及顺熔池方向静电场调控的熔覆层相比,趋向于各向同性的区域增大,当静电场强度增大至350 V/cm时,熔覆层中部分组织出现逆激光移动方向生长的形貌。这些现象出现的原因可能与静电场对熔池中熔融态液滴的影响有关。顺熔池方向静电场促进熔融液滴向激光移动方向流动,与激光对熔池的影响方向一致,使得组织在此方向的生长得到加强,形成统一的生长形貌。逆熔池方向静电场促进熔融态液滴逆激光移动方向流动,与激光对熔池的影响方向相反,因此熔池中对流急剧加强,熔覆层中各向同性区域增大。当逆熔池方向静电场对熔池的推动作用大于激光对熔池的影响时,熔覆层出现明显的逆向流动形貌。最后,探索了以“石墨烯+静电场”复合调控的方式对激光熔覆316L的影响,发现复合调控下熔覆层中残余应力与微观组织发生了较大改变。石墨烯和顺熔池静电场复合调控后熔覆层中残余拉应力得到释放,相比于无调控熔覆层中残余拉应力大幅下降,微观组织中呈现加速流动的形貌;石墨烯和逆熔池静电场复合调控后熔覆层中不仅残余拉应力被完全释放,还存在残余压应力,微观组织中出现挤压变形的形貌。石墨烯的存在可能进一步促进静电场对熔池的影响。总之,本论文研究了石墨烯和静电场分别对激光熔覆316L的影响及机理,并初步探索了以“石墨烯+静电场”复合调控的方式对激光熔覆316L的影响,为日后探索激光熔覆金属材料的组织和性能的调控提供了更多选择性。