本文研究的内容为齿轮表面激光淬火和激光熔覆，重点对齿轮激光淬火硬化层性能与层深，以及齿轮激光熔覆工艺与裂纹控制等关键技术问题进行研究。

激光淬火硬化层深度是激光热处理的一项综合性能指标，也是衡量激光淬火质量的主要因素。为了便于对工艺参数进行优化和对层深预测，建立了45钢磷化预处理表面激光淬火硬化层深的精确预测模型。考虑了预处理表面吸收系数随工艺参数变化的实际情况，考虑了相变潜热，以相变温度为相变硬化临界值，对流换热边界条件与实际接近，用变量函数载荷表模拟移动热源；对比实验与模拟数据，根据能量转换系数与工艺参数P、v的变化规律，进行能量转换系数的拟合，实现了硬化层深的精确预测。这些研究提供了一种结合先进计算机技术的精确预测相变硬化层深的研究思路，试验验证其具有较高的精确性。同时，根据纵向硬化层深的试验研究，得到了进端层深小于中间层深，出端层深大于中间层深的分布规律。为了获得纵向层深均匀分布的硬化层，宜采用变速扫描工艺；通过变速扫描的ANSYS模拟，得到的进出端表面最高温升基本接近中间各点，经试验验证，硬化层均匀性得到改善。

首次进行了条件与实际工况相近的激光淬火齿轮的疲劳寿命试验研究，其研究结果高于ISO6336及GB/T3480标准中常规处理齿轮的无限寿命基本疲劳循环次数；并对激光淬火齿轮具有较高疲劳寿命的机理进行了深入的分析。其机理在于齿轮激光淬火后获得了与轮齿受载相匹配的硬化层分布；硬化层具有非常稳定的残余压应力，使齿轮啮合过程中最大剪应力峰值显著下降；残余压应力使齿根受拉一侧危险截面处的应力明显下降；硬化层内沿深度方向的硬度分布无明显硬度梯度，这些特性提高了齿轮的耐磨性、抗弯曲折断疲劳强度，对提高疲劳寿命的作用十分显著。硬化层具有良好的综合机械性能，因而不会发生剥落现象，具有很高的抗剥落性能。对于激光淬火搭接扫描齿轮，齿面搭接扫描回火带的硬度值降低约HRc7左右，但不会形成影响疲劳强度的疲劳源，这为大模数齿轮采用搭接扫描提供了一个重要的可行性依据。

齿轮激光淬火有效硬化层深的取值到目前为止没有统一的标准，这对该项技术的推广应用十分不利。为此，根据齿轮淬火硬化层深的主要计算理论，进行了齿轮激光淬火与渗碳淬火有效硬化层深的对比研究，并根据国内外齿轮激光淬火的试验与应用研究结果，提出了激光淬火硬化层深的取值范围。一般对于中、小模数齿轮，激光淬火齿轮的有效硬化层深度推荐取值范围0.3～0.8mm，对于大模数齿轮则为0.5～1.2mm。

根据齿轮激光淬火与渗碳淬火有效硬化层深的对比研究，首次提出基于接触疲劳强度的齿轮激光淬火当量硬化层深的概念及其经验计算方法。当量硬化层深度应等于实际有效硬化层深度乘以当量折算系数。当量折算系数推荐取值1.5～2.75，大模数齿轮可取较大值，并以此作为强度条件计算的依据。大量的实际应用结果，以及按不同标准的理论验算均表明，有效硬化层深取值范围和当量硬化层深计算方法是可行的。

激光熔覆修复方面，针对熔覆层裂纹问题，特别是硬度高厚度大的熔覆层裂纹控制问题，进行了有针对性的试验研究。镍基合金系列粉末的多道多层激光熔覆裂纹试验结果表明，随着熔覆粉末中C、Cr、W等成分数量的增加，熔覆层的硬度将显著提高。梯度材料激光熔覆试验结果显示，可获得表面性能优良又无裂纹缺陷的熔覆层，在机械零件的修复中具有广泛的应用前景。通过对Ni25、316L等低硬度合金粉末材料进行激光熔覆成形试验，获得组织致密的金属零件，为需熔覆厚度较大的零件及复杂零件的修复奠定基础。

在激光熔覆过程中引入超声振动，以进行熔覆层裂纹的控制研究，初步试验研究结果表明，超声振动不仅可细化熔覆层的组织，有效提高熔覆层的硬度，还对熔覆层裂纹控制有明显的作用。

进行了激光熔覆的应力场ANSYS数值模拟，分析了裂纹的产生机理。研究结果表明，316L激光熔覆熔覆层内具有残余拉应力，其中沿扫描方向的拉应力起主导所用，其余两方向应力均较小。熔覆层与基体分界处的边沿上，产生了应力集中，分界处的应力集中容易产生分界处向熔覆层扩展的裂纹。