铸铁是工业中普遍应用的工程材料,它具有成本低、铸造性能好以及易切削加工等优点。球墨铸铁是生产汽轮机外缸、发动机外缸以及内燃机曲轴等大型零部件的主要材料,在服役期间不可避免的出现损伤导致设备失效。利用激光修复技术对损伤区域进行局部的修复具有很高的经济和社会效益。但由于大型铸铁件的整体尺寸庞大,运输不便,对大型零部件进行激光修复时,待修复区的局部无法进行气氛保护,不可避免的会出现氧化的问题,氧化会在沉积层内产生气孔和氧化物夹杂,降低修复区的性能。同时由于待修复的缺陷区域位置具有随机性,难以保证待修复区与激光熔覆头时刻保持垂直状态,因此需要考虑对其进行多角度修复。在激光多角度修复球墨铸铁过程中,随着基板与水平面倾斜角度变化以及激光熔覆头与基板的相对位置会对熔覆层和重熔区域的形貌造成影响,从而影响修复区的成形质量和稀释率。在激光熔覆头竖直向上仰角修复过程中,合金粉末极易回弹到熔覆头内损坏光纤。本文将以球墨铸铁QT400为应用背景,针对开放环境下的氧化控制问题和激光多角度修复球墨铸铁的熔覆层特点进行了研究。现取得的主要研究结果如下:(1)研究了激光重熔铸铁时气孔产生的机理。在无气帘保护和气帘保护下激光重熔球墨铸铁和灰铸铁时,球墨铸铁的熔池内均无气孔生成,而灰铸铁的熔池内均有气孔生成。结合对球墨铸铁和灰铸铁基材的热重-差热分析和氧氮氢分析测试证实灰铸铁内所含有的氧、氮、氢三种元素均比球墨铸铁的高,再对经过真空热处理后球墨铸铁和灰铸铁进行气帘保护下激光重熔后发现,重熔区均无气孔生成。结果表明,激光重熔灰铸铁的气孔生成的原因是灰铸铁的片状石墨中吸附有大量的气体。(2)在熔池的氧化控制和已沉积区域氧化控制的两个方面提高了激光修复球墨铸铁的修复质量。在熔池氧化控制方面,自主设计的气帘保护装置可以有效地解决开放环境下激光修复过程中的熔池氧化问题,通过实验获得了气帘保护装置达到气氛保护效果最好的气流工艺参数为:保护气流量为5 L/min,载粉气流量为5 L/min,气帘保护气路宽度为4 mm,气帘保护气流量为15 L/min,该气流工艺下的熔池上方气氛中的氧含量为0.07%。在已沉积区域氧化控制方面,基板的温度在300℃以下氧化较缓慢,超过400℃时氧化较迅速,侧吹管径较大时可以有效地减少高温下基体表面的氧化,而且气氛保护的区域也较大,但无法完全阻止高温下基体表面的氧化。(3)激光熔覆头和基板有夹角时,由于光斑和粉斑的不对称性会使重熔区在上坡区域更深。激光熔覆头和基板保持垂直时,基板的倾斜对激光修复铸铁的影响不大。激光重熔与水平面倾斜角度为90°的基板时,由于熔池凝固速度很快,对石墨的分布的影响很小。(4)激光熔覆球墨铸铁时,扫描速度过慢会导致石墨的爆燃产生大的液滴飞溅,在仰角修复时这种飞溅会损伤熔覆头的保护镜片。仰角修复时,未被熔覆捕捉的粉末在弹跳后不会回落入熔池,导致仰角修复时的粉末利用率降低,在铸铁修复时粉末利用率的降低会引起稀释率增加,熔覆层硬度提高。本文以氧化和工件角度对激光修复质量的影响为着入点,对开放条件下激光多角度修复过程中的成形工艺和成形质量控制进行研究,可以实现开放条件下激光多角度修复球墨铸铁,研究成果可以为球墨铸铁的激光多角度修复提供理论支持。