再制造工程中，埋弧堆焊、热喷涂等表面工程技术己很难对类似于冷轧辊高载荷、一定的耐冲击韧性废旧零件进行恢复和性能提升。为了充分延长高速、高载荷摩擦磨损条件下的机械零件使用寿命，激光熔覆先进表面工程技术面临机遇和挑战。但是，激光熔覆涂层存在裂纹和强韧化问题，这些问题使得激光熔覆技术一直难以应用于类似冷轧辊的机械零件强化和再制造。本文针对铁基激光熔覆涂层进行了若干研究，主要研究内容有：铁基激光熔覆涂层的合金系设计、熔覆涂层的显微组织和相结构演变规律和形成机制，以及熔覆涂层的强韧性机制。　　 本文以冷轧辊为应用对象，系统分析了熔覆涂层的摩擦学属性和激光熔覆的裂纹产生机制，进行铁基激光熔覆涂层组织设计：采用过包晶相区为铁基熔覆涂层的相区间；基体组织为马氏体和分布在马氏体晶粒间的残余奥氏体，在基体组织上原位生成颗粒增强相；改造熔覆铸态组织的枝晶间的碳化物连续网状分布为断续分布，或为残余奥氏体和球形颗粒状碳化物的复合组织。基于“余氏”合金价电子结构理论，计算马氏体、奥氏体价电子结构、马氏体/奥氏体界面电子状态以及马氏体/碳化物界面电子状态，确定基体组织控制元素和强韧化元素，并根据材料热力学理论计算，确定原位生成颗粒增强元素，设计铁基合金系为Fe-C-Cr-Ni-Mo(W)-V(Nb,CeO,Ti).　　 试验制备了设计的铁基熔覆涂层，系统研究合金元素对熔覆涂层的显微组织和相结构的影响：Ni、N都有促进熔覆金属形成树枝晶的枝晶间残余奥氏体的作用，但过多的N会导致熔覆金属内出现气孔；熔覆涂层中添加V、Nb可使枝晶间的连续长条状碳化物打断，再添加Ti、CeO可使枝晶间的碳化物球化。设计以Co降低奥氏体层错能，改变熔覆涂层在高C情况下孪晶马氏体转变而降低韧性问题，并验证制备了高C的熔覆涂层基体组织主要为位错马氏体以及部分孪晶马氏体的混合组织。系统测试了熔覆涂层的显微硬度和耐磨性能，以磨损失重衡量，设计出了耐磨性能优于9Cr2Mo钢的铁基激光熔覆涂层。　　 系统研究了制备的铁基熔覆涂层的组织演变规律，从动力学过冷度和固液界面前沿溶质扩散角度分析了柱状树枝晶向等轴树枝晶演变的转变机制。熔覆涂层的组织构成为：树枝晶的晶间为残余奥氏体及其分布在残余奥氏体上的晶态颗粒相；晶内为板条马氏体、板条间的残余奥氏体薄膜及其弥散分布的颗粒相，颗粒相的内部为合金碳化物复合相，颗粒相的表面为非晶态的Si层，使得颗粒相与马氏体基体为结晶区和非晶态区的结合界面，在界面处无中间相生成。从液态合金中固相的表面张力、表面能，以及液态合金体系自由能角度研究颗粒吸附现象：液态合金中析出颗粒相表面吸附Si，颗粒相的表面张力和固/液界面能均降低，使得Si的吸附是一个自发的过程。由于Si在铁基合金溶液中具有高溶解度，颗粒表面吸附Si层提高了颗粒相与液态熔覆合金的润湿性，同时也增加了溶剂化作用能，使颗粒间的位阻排斥力增加，满足了颗粒分散遵循的两个原则，对获得颗粒相弥散分布的铁基熔覆涂层有着重要的意义。从合金元素枝晶间偏析动力学和奥氏体向马氏体固态相变的热力学和动力学角度出发，分析合金元素偏析造成枝晶间奥氏体强化而降低了Ms点，迟滞了过冷奥氏体的转变而导致枝晶间残余奥氏体的形成。　　 系统研究了铁基激光熔覆涂层的亚结构、拉伸试验、纳米压痕以及摩擦磨损过程中的组织变化。熔覆涂层的树枝晶的晶内和晶间残余奥氏体都具有较高密度的位错和位错缠结，枝晶间残余奥氏体存在层错和层错间相互作用形成的层错网。熔覆涂层组织形态对拉伸力学性能有较大影响，等轴树枝晶、柱状树枝晶和柱状晶形态的熔覆涂层抗拉强度依次降低。等轴树枝晶形态的熔覆涂层断口形式为准解理和韧窝，枝晶间有大量韧窝和韧带，验证枝晶间的残余奥氏体提高了熔覆涂层的韧性。纳米压痕测试熔覆涂层具有比9Cr2Mo冷轧辊用钢更高的弹性模量和硬度，熔覆涂层的强度和韧性都得到提高。在相同载荷下，熔覆涂层的摩擦马氏体厚度和塑性变形区远小于9Cr2Mo钢。摩擦磨损过程中，应力应变诱导了亚稳残余奥氏体向马氏体的转变，熔覆涂层塑性变形区的残余奥氏体含量减小。熔覆涂层的枝晶间相结构影响裂纹的扩展，当枝晶间存在条块状碳化物时裂纹较易沿枝晶间自表层向内部扩展；当枝晶间为残余奥氏体和颗粒状碳化物时，裂纹在晶间扩展受阻，残余奥氏体降低了裂纹扩展能量，从而改善了断裂强度和断裂韧性。细晶强化、位错强化和颗粒强化是熔覆涂层获得高强度的原因，其中纳米级颗粒强化马氏体基体是提高熔覆涂层高载荷下抗塑性变形的重要原因，枝晶间残余奥氏体增加抗接触疲劳裂纹扩展能力，提高了熔覆涂层高载荷下的耐磨性。