激光熔覆成形技术是一个复杂的物理、化学和冶金过程。熔覆件的质量受各种工艺参数的影响,主要包括激光束模型、激光功率、扫描速度和送粉速度等。工艺参数对熔覆件成形的影响可通过成形过程中熔池的形貌来反映,因此,对熔池行为的研究已成为激光熔覆成形研究领域的一项重要内容。目前,激光熔覆成形采用的光束多为圆形光,送粉方式为光外单侧送粉或多粉管同轴送粉。它们的缺陷在于激光与粉末的耦合性差,粉末利用率低,熔覆成形件表面精度不高。为了解决这一现象,提出了一种“光束中空,粉管居中,光内送粉”的成形方式。基于该成形方式,本文建立了环形激光能量分布模型,并分析了其与圆形激光能量分布之间的差异;研究熔覆过程中熔池的形貌与各工艺参数之间的关系并通过CCD观测熔池特征变化指导熔覆成形;最后对熔覆层的性能进行了分析。建立了激光扫描线宽方向上的二维能量分布数学模型,模拟出环形激光束与圆形激光束的能量分布:环形光能量呈“马鞍形”分布,传统的圆形光的能量为高斯分布。从理论上证明了环形光的能量分布在扫描线宽方向上的分布较圆形光更均匀,环形光是用于激光熔覆的较佳光源。研究了激光熔池的物理过程,表明熔池中存在表面张力和浮力,对流主要是由表面张力和温度梯度引起。通过对熔池对流特征的研究发现工艺参数与熔池的形状之间存在着必然的联系。模拟对比了环形光与圆形光下的激光熔池对流机制,得出环形光熔池的两对四环对流模型。采用高速CCD摄像机拍摄了激光熔覆过程中的熔池图像。由于激光熔覆过程中存在粉末飞溅、弧光和烟尘等噪声干扰,在提取图像有效信息时对图像进行处理。采用形态学滤波和边缘提取的方法,在Matlab环境下编程,处理效果良好。用高速CCD拍摄不同工艺参数下激光单道熔覆的熔池图像,图像结果表明:在其他参数不变的情况下,增大激光功率或增加送粉速度,熔宽、熔深均有变大趋势;而加快扫描速度,熔宽、熔深均变小。根据熔池特征参数随激光功率变化的规律,利用高速CCD实时观察锥形空心回转薄壁件的成形过程。实验表明:成形稳定期,熔池的面积在0.25mm2-0.7mm2之间变化,激光功率维持在1kw左右,成形件最大高度达到55mm。对熔覆层与基体的结合面的形貌观察发现:传统的圆形光熔覆层与基体的结合面形貌呈“半月”型下凸状,而环形激光熔覆层纵截面两侧附近的结合面均呈向下微凸状。这说明结合面的形状特征由激光能量分布特性所决定。对不同占空比的环形光熔覆层进行了显微检测与分析,结果表明:随着占空比增大,熔覆层组织由枝晶向胞晶组织转变,晶粒逐渐粗大,而晶粒横向分布趋于均匀,且结合层变薄,稀释率减小。综合考虑熔覆层的晶粒大小、晶粒分布的均匀度以及熔覆层的稀释率三方面因素,发现在占空比为0.35的环形光下进行激光熔覆,熔覆层微观组织较佳,熔覆层与基体的冶金结合效果较好。分别对锥形空心回转薄壁件同一竖直壁的底部、中部和顶部的微观组织分析表明:采用环形光进行熔覆成形,成形件在高度方向上组织分布均匀。对环形光激光熔覆层进行了硬度测试,结果表明:纵向方向熔覆层由上至下,硬度逐渐减小;横向方向硬度分布均匀。