堆焊技术具有高效、廉价等优点，是绿色再制造的核心技术之一。采用堆焊技术对尺寸大、附加值高以及具有耐磨、耐热或耐腐蚀等特殊性能需求的零部件进行修复与再制造，可以有效的延长这些零部件的使用寿命，具有重要的应用价值。Fe-Cr-C合金含有大量的M （M=Cr, Fe）7C3型碳化物，具有较好的耐磨性。然而，传统Fe-Cr-C合金中碳化物较为粗大，在服役过程中碳化物易剥落，从而限制了该合金在堆焊领域的广泛应用。本文自行制备了自保护Fe-Cr-C堆焊药芯焊丝，在系统分析了该堆焊合金组织和性能演变规律的基础上，进行合金成分设计和焊丝配方改进，通过加入强碳化物形成元素Ti、Nb和V以及稀土氧化物La2O3和CeO2，研究了Fe-Cr-C堆焊合金中M₇C₃型碳化物的形状、尺寸和分布，制备出耐磨性优异的Fe-Cr-C堆焊层。同时，通过Bramfitt二维点阵错配度理论和第一性原理计算，对M₇C₃异质核心的非均质形核问题进行了理论分析，探讨了掺杂相诱发M₇C₃碳化物异质形核的可能性，解释了M₇C₃碳化物的细化机理。Fe-Cr-C堆焊合金主要由M₇C₃碳化物、马氏体（α-Fe）和奥氏体（γ-Fe）组成。随着C含量的升高，堆焊合金显微组织由亚共晶组织向近共晶组织，进而向过共晶组织过渡。Fe-27Cr-[1.5-5.5]C （wt.%）合金的共晶反应发生在3.1wt.%C处。当合金中C含量大于3.1wt.%时，凝固初期发生过共晶反应，从液相中首先析出M₇C₃碳化物。随着合金中C含量增加，M₇C₃碳化物数量增加，尺寸变大，且堆焊层的硬度、抗粘着磨损能力均有所提高，同时，犁皱区材料塑性变形能力下降，易造成M₇C₃碳化物的剥落。在堆焊过程中，M₇C₃碳化物体现出择优取向的特征，沿堆焊热流密度方向生长。初生M₇C₃碳化物为多边形棒状结构，共晶M₇C₃碳化物为条状或针状形貌。M₇C₃碳化物在择优生长面的硬度为21.2±0.3GPa，杨氏模量为291±3GPa；在非择优生长面的硬度为20.1±0.3GPa，杨氏模量为267±3GPa。Fe-Cr-C堆焊合金中加入M（M=Ti, Nb, V）元素，可以生成初生TiC、NbC以及二次VC碳化物。MC碳化物的形成细化了Fe-Cr-C合金的组织。根据Bramfitt二维点阵错配度理论，（110）TiC与（010）Cr₇C₃的错配度δ=9.3%，TiC作为Cr₇C₃的非均质形核核心的有效性是中等的，可以作为Cr₇C₃的非均质形核核心，对其起到了细化作用。此外，MC的生成在一定程度上消耗了熔池中C原子的浓度，抑制了初生碳化物的长大，从另一方面促进了Cr₇C₃的细化。但是，当M元素过量加入时，堆焊合金由过共晶组织向亚共晶组织转移，合金的耐磨性下降。Fe-16Cr-3.8C堆焊合金中合适的加入量为0.63wt.%Ti。稀土氧化物La2O₃或CeO₂加入Fe-Cr-C堆焊合金后参与冶金反应，生成的稀土化合物部分留存于M₇C₃碳化物中或M₇C₃碳化物与奥氏体的边界，对熔池起到了脱氧和脱硫的作用。稀土氧化物可以细化堆焊合金组织中初生M₇C₃碳化物，增强合金的耐磨性；但稀土氧化物过量加入时，其对堆焊合金组织的细化程度明显减弱，甚至粗化。Fe-25Cr-5C堆焊合金中合适的加入量为4.0wt.%La2O3和2.0wt.%CeO₂。在相同外界条件下，Cr的掺杂使Fe_7-xCr_xC₃多组元碳化物趋向稳定。与六方结构碳化物相比，正交结构的Cr₇C₃碳化物形成能更低，在合金凝固初期优先形成。随着Cr含量的升高，Fe_7-xCr_xC₃碳化物的硬度升高，Fe₄Cr₃C₃的硬度值达到最大。TiC/Cr₇C₃两种构型界面处均存在Cr-C-Ti共价金属链。TiC（100）型界面构型可以促进Cr₇C₃在其表面异质形核。Fe₃Cr₄C₃/LaAlO₃的界面存在LaO和AlO₂两种终止面。LaO终止型界面理想结合功较大，界面间距较小且界面能较小，有利于初生碳化物在LaAlO3粒子表面上异质形核。