堆焊技术是绿色再制造技术领域中的关键技术之一。采用堆焊技术对废旧零部件进行再制造,不仅可以恢复其形状和尺寸,而且可以使再制造后的零部件具有较高的抗磨损性能、抗热疲劳性能以及抗腐蚀性能等特点。与其它再制造技术相比,堆焊技术具有涂层与母材结合强度高,适用性广和价格低廉等特点,已经越来越广泛的应用到现代工业生产之中。本文以传统Cr5热轧支承辊材料为研究对象,自行研制新型热轧支承辊堆焊用药芯焊丝,并对其堆焊合金的显微组织进行初步表征,并以此为基础,对堆焊过程中的焊接工艺进行优化。通过对不同回火条件下堆焊合金进行显微组织观察和硬度测定,确定最佳回火工艺,特别是对在中高碳合金钢中经常出现的冷作硬化现象进行研究。在此基础上,综合研究稀土氧化物La2O3加入量对堆焊合金显微组织及力学性能的影响。同时,采用第一性原理中的密度泛函理论,从能量学角度,对稀土夹杂物La Al O3作为γ-Fe和α-Fe的非自发形核核心的机理进行了分析,并对稀土元素La在γ-Fe和α-Fe中的固溶规律进行了预测。相图计算结果表明,加入合金元素Ni和Mn可以明显扩大堆焊合金的奥氏体相区;加入合金元素Mo和V可以分别促进堆焊合金中M6C和MC型碳化物的析出。新型支承辊药芯焊丝堆焊合金在焊态下显微组织由马氏体、残余奥氏体和少量碳化物组成,其晶界处存在着白色网状的高合金马氏体。高合金马氏体在高倍电子显微镜下呈大块状,平均纳米压痕硬度为14.33 GPa,其合金元素含量高于普通马氏体,经过回火之后,合金元素含量迅速降低,降低程度约为30%。高合金马氏体和普通马氏体均为体心正方结构,但是其晶格结构有所差别,与普通马氏体相比,高合金马氏体c轴方向长度增加。焊接热输入量选取为23.5~27.0 J/mm,以保证堆焊合金具有优良的使用性能。堆焊合金焊后在480 oC回火8h具有最为优良的使用性能。当堆焊合金中的残余奥氏体体积分数较高时,在疲劳循环作用的压应力下,其将会自发向马氏体发生转变,即出现冷作硬化现象,当残余奥氏体体积分数降低到4.9 vt.%时,该转变不再发生。冷作硬化过程中,各取向的残余奥氏体晶粒优先向[001]和[101]取向的马氏体晶粒转变。随着La2O3加入量由0 wt.%增加到4.98 wt.%,堆焊合金原奥氏体晶粒尺寸先减小后增大,当La2O3加入量为3.32 wt.%,堆焊合金的原奥氏体晶粒最为细小,平均晶粒尺寸为18μm;同时,堆焊合金中残余奥氏体量由18.4 vt.%增多到25.4 vt.%后基本不变,而高合金马氏体量由19.6 vt.%逐步降低到了7.7 vt.%。堆焊合金的硬度、耐磨性、强度和韧性均出现先增加后降低的趋势,当La2O3加入量为3.32 wt.%时,堆焊合金的各项性能均达到最大值:其中堆焊合金硬度为HRC 50.4,单位时间内磨粒磨损失重量为0.13 g/h,抗拉强度和屈服强度为1502 MPa和1334 MPa,冲击吸收功为7.10 J/cm2。对于两种终止结构的La Al O3(100)/无碳γ-Fe(100)界面,当△μLa处于范围(-14.46 e V,-14.08 e V)和(-1.402 e V,-1.025 e V)时,Al O2终止型和La O终止型界面的界面能分别满足La Al O3/无碳γ-Fe异质形核对界面能的要求。对于La Al O3(100)/含碳γ-Fe(100)界面,当△μLa较低时,部分Al O2终止型界面(Al O2-含C、Al O2-不含C)界面能符合La Al O3/含碳γ-Fe异质形核对界面能的要求;随着△μLa增加到较高的范围时,Al O2终止型界面不能再作为La Al O3/含碳γ-Fe异质形核界面,而La O终止型界面,尤其是La O-含C型界面更为满足相应要求。对于La O终止结构的La Al O3(100)/α-Fe(100)界面和La Al O3(100)/α-Fe(110)界面,La的化学势△μLa分别处于范围(-2.447 e V,-2.064 e V)和(-1.009 e V,-0.722 e V)时,La Al O3(100)/α-Fe(100)界面和La Al O3(100)/α-Fe(110)界面的界面能处于0 J/m2~0.204 J/m2之间,说明此时上述两界面可以作为La Al O3/α-Fe的异质形核界面。对于不同位置La原子固溶的γ-Fe(α-Fe)超胞,置换固溶γ-Fe(α-Fe)超胞的稳定性、电离度、变形抗性和刚度均要优于间隙固溶γ-Fe(α-Fe)超胞,而其塑性、金属性和各向异性则差于间隙固溶γ-Fe(α-Fe)超胞。