材料的性能是由其微观组织决定的,包括相的种类和微观组织中的晶粒形态,而液态金属结晶时晶粒形态是由凝固过程晶核生长方向和生长速度决定的。激光熔覆具有快速熔化和快速凝固的特点,在形成具有优良组织性能材料方面有其特有的优势。本文在参考金属凝固理论及相关晶粒模拟方法的基础上,对激光熔覆金属层晶粒形态、晶粒形成模型及形成机理进行了研究。作者首先改进了粉末输送系统,为电磁调速电动机配备电磁调速控制器,它们与减速机配合使用,组成了一套交流无级调速装置,达到均匀无级调速的目的,能够方便地控制粉末输送量。通过改变激光功率、扫描速度和送粉量,在基体上熔覆了大量试样,对试样熔覆层的横截面和纵截面进行显微组织分析发现,此试验条件下熔覆层组织几乎全由等轴晶粒构成。通过对铸造凝固方面晶粒模拟方法的比较和相场模型实质的分析,建立了纯物质相场模型和宏观温度场控制方程即激光熔覆温度场热传导微分方程。通过先计算激光熔覆温度场即宏观温度场,然后在整个宏观温度场计算区域选取一个宏观单元作为进行晶粒模拟的微观计算区域,采用联合宏观温度场控制方程和晶粒形成模型即相场模型的方法,即所谓的宏-微观耦合方法进行晶粒形态模拟。模拟显示熔覆层晶粒为等轴晶,而试验得到的金相组织图分析的结果显示也为等轴晶粒,它们二者的结果相吻合,说明所建立的晶粒形成模型、所采用的宏-微观耦合方法基本上是正确可行的,能够用来预测晶粒形态,同时运用宏-微观耦合方法和对不同计算区域采用不同大小网格划分方式也节省了运算时间。本文成功地把现有的铸造凝固中晶粒模拟方法加以修改并运用到激光熔覆金属层晶粒形成的模拟上;结合激光熔覆温度场,使用宏-微观耦合方法模拟出了熔覆层组织晶粒形态,为预测晶粒形态奠定了理论基础;分析了工艺参数对熔覆层整体晶粒大小的影响,扫描速度越大,熔覆层凝固后的晶粒越细,送粉速度增加,熔覆层组织趋于细化,激光功率的降低,晶粒平均尺寸有随之变小的趋势,并根据凝固结晶的热力学条件和动力学条件及激光熔覆实际情况分析了等轴晶粒形成的原因。