冶金辊材具有高损耗、易失效的服役特点和再制造修复的实际需求,基于激光熔覆的冶金辊材表面强化与再制造技术,能够在廉价辊芯材料的表面上制备出强韧、耐磨耐蚀的冶金结合工作层,显著提高辊材表面综合性能。激光熔覆技术为其表面强化、再制造修复与延寿提供了一种新方法,成为节约材料、保护环境、提高生产效率,降低生产成本的重要技术手段。本研究旨在利用多道搭接熔覆和多层梯度熔覆等方法,在常见冶金辊材表面制备结构致密、性能优异的冶金结合熔覆层,为激光熔覆技术在表面强化和再制造修复冶金辊材提供理论依据,并为工业应用提供技术支持和参考。本文以45钢和球墨铸铁（Nodular Cast Iron,NCI）两种冶金辊材芯部材料为基体材料,探索利用激光熔覆不同类型的高速钢对其表面强化和修复的新途径。通过优化激光熔覆的工艺参数,制备出呈冶金结合的耐磨耐蚀熔覆层。利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDAX）、X射线衍射仪（XRD）、维氏显微硬度仪、PARSTAT4000电化学工作站、CST550电化学噪声/电偶腐蚀测试仪和高温摩擦磨损试验机等分析测试设备,研究所制备的激光熔覆层的组织形貌、化学成分、物相结构、显微硬度、耐磨性、耐蚀性、电偶腐蚀等,分析熔覆层的耐磨、耐蚀机制及服役工况环境下的电化学相容性。本文提出了基于材料学的激光熔覆工艺优化方法一金相法,通过金相观察熔覆层形貌,确定熔覆层的形状、尺寸和完整性,与基体结合状态等。结合显微硬度测量,确定熔覆层横截面上的显微硬度分布,评价熔覆层的耐磨性等使用性能。合适工艺条件下,熔覆层形貌规整且与基体冶金结合、硬度较高且分布均匀。金相法简便、高效、易行,适于多种激光熔覆工艺优化。采用Nd:YAG脉冲激光,在球墨铸铁表面单道熔覆T15高速钢的合适工艺参数为电流240 A,扫描速度2.5 mm/s,离焦量13 mm,预置粉末厚度0.2mm。添加50%Ni60自熔性合金能够有效控制熔覆开裂。熔覆M2高速钢的合适工艺参数为电流210A、扫描速度2.5mm/s、离焦量13mm,预置粉末厚度0.2mm。熔覆10V高速钢的合适工艺参数为电流180A、扫描速度2.5mm/s、离焦量14mm,预置粉末厚度0.2mm。预热基体可以减轻熔覆开裂,重熔可以避免熔覆开裂。采用大功率CO2气体激光,在球墨铸铁表面单道熔覆T15、YT12的合适工艺参数为激光功率1800W、扫描速度6mm/s、光斑直径4mm,预置粉末厚度1mm。Ni60过渡层可以有效避免熔覆开裂。在45钢表面单道熔覆DL2501、DL155的合适工艺参数为激光功率4000W、光斑直径4mm、侧向送粉速度11.5g/min、扫描速度分别为800mm/min和400mm/min。采用大功率直接输出半导体激光,在球墨铸铁表面单道熔覆10V的合适工艺参数为激光功率2300W、扫描速度10mm/s、光斑尺寸11.5x2.5mm,预置粉末厚度1mm。采取了预热、重熔、添加增韧相、施加过渡层、梯度熔覆等方法有效抑制和避免了熔覆开裂倾向。添加50%Ni60自熔性合金能够有效控制T15熔覆开裂。预热基体可以减轻10V熔覆开裂,重熔可以避免熔覆开裂。施加Ni60过渡层可以有效避免T15熔覆开裂。把基体材料球墨铸铁更换成45钢,同时,把熔覆材料高速钢更换成DL合金,降低基体与熔覆材料之间的热物性差异,所获得的梯度熔覆层强韧且不开裂。把脉冲激光器更换成半导体激光器,改变激光与材料交互作用方式,能够消除10V高速钢的开裂倾向。在激光熔覆工艺优化实验的基础上,选择合适的工艺条件下,获得了表面平整、搭接道连续、形状规则的多道搭接激光熔覆样品,研究了激光熔覆工艺对熔覆层组织结构与性能等的影响。激光熔覆工艺对熔覆层组织性能的影响显著,熔覆层显微硬度和耐磨性得到明显提高,其强韧化与耐磨机理在于熔覆层组织细化、马氏体相变硬化和第二相碳化物强化的综合作用。采用脉冲激光在球墨铸铁表面熔覆T15高速钢会发生熔覆开裂现象。激光熔覆层相组成含有α-Fe、WC1-x和V4C3等,熔覆层显微硬度平均值600HV,最高值为682HV,约为基体的2.2倍。采用脉冲激光在球墨铸铁表面熔覆M2高速钢不会发生熔覆开裂现象。激光熔覆层组织致密,与基体冶金结合,无裂纹气孔等缺陷。M2高速钢熔覆层组织形貌形貌特征在于少量胞状晶和大量树枝晶组成,熔覆层中W、Mo、Cr、V元素富集在枝晶间,相组成含有α-Fe、γ-Fe、WC1-x等,熔覆层显微硬度平均值750HV,约为基体的2.4倍。在500℃高温磨损30分钟条件下,熔覆层磨损失重量约为球墨铸铁基体的56%,摩擦系数明显降低且较稳定,熔覆层的主要磨损方式是磨粒磨损。高温耐磨性能有了较大的提高。采用脉冲激光在球墨铸铁表面熔覆10V高速钢会发生熔覆开裂现象。对激光熔覆层进行重熔处理,所得到的重熔层组织致密,与基体冶金结合,无裂纹气孔等缺陷。重熔后的10V高速钢熔覆层含有大量的富VC球形颗粒;重熔层显微硬度平均值650HV,为基体的2.1倍。在500℃高温磨损30分钟条件下,重熔层磨损失重量约为球墨铸铁基体的50%,重熔层的主要磨损方式是磨粒磨损。采用大功率连续CO2激光器,可以在球墨铸铁表面制备出表面平整、搭接道连续、形状规则的多道搭接激光熔覆Ni60过渡的NTT、NYY样品,所制备的熔覆层厚度为1400μm～1600μm,无裂纹、气孔等宏微观缺陷,与基体冶金结合。Ni60过渡层是避免熔覆开裂现象的有效途径。NTT熔覆层的显微组织包含γ、V4C3、WC1-x、CoCx等,其中V4C3、WC1-x、CoCx等起到弥散强化的作用,NTT熔覆层的硬度值最大为716HV,为基体显微硬度的2.2倍。500℃高温磨损30分钟磨损失重量为球墨铸铁基体的36%,具有优异的耐磨性能。NYY熔覆层显微组织形貌特征为贫Cr枝晶和枝晶间生成的富Cr、C元素的第二相,一次枝晶臂可达500μm。NYY熔覆层的物相包含α-Fe、（Fe,Ni）固溶体、Cr7C3等,Cr7C3相分布在晶界间,NYY熔覆层显微硬度的最大值为739HV,为基体的2.3倍。500℃高温磨损30分钟质量损失率约为球墨铸铁基体的85%,具有较好的耐磨性能。采用大功率连续CO2激光器,可以在45钢表面制备DL合金梯度熔覆层。该熔覆层连续完整无裂纹气孔等缺陷,与45钢基体呈冶金结合状态。更换基体材料和调整熔覆材料以降低二者热物性差异是避免熔覆开裂现象的有效途径。熔覆层显微组织特征为枝晶、等轴晶等多种形貌的快速凝固组织,由α-Fe,CrNiFe-C和Cr7C3等组成。熔覆层内合金元素的成分宏观均匀分布,微区有Mo、Cr在枝晶间富集。显微硬度呈梯度分布,表层硬度达748HV,过渡层硬度达552HV,分别是基体硬度的3.74和2.76倍。在优化的工艺条件下,激光功率4000W、扫描速度400mm/min,熔覆层磨损量是同样条件下基体磨损量的25.78%,熔覆层的磨损机制为磨粒磨损,基体的为磨粒磨损与粘着磨损,熔覆层具有良好的耐磨抗力。采用半导体大功率直接输出半导体激光器能够制备10V高速钢熔覆层。获得的熔覆层连续平整、无裂纹气孔等宏观缺陷,与球墨铸铁基体呈冶金结合状态。更换激光器改变激光与材料交互作用,是避免脉冲激光熔覆开裂现象的有效途径。熔覆层显微组织特征为片层状、块状、球形颗粒状等多种形貌的快速凝固组织,由α-Fe,VC,γ-Fe,Cr23C6和FeV等组成。熔覆层内合金元素的成分宏观均匀分布,微区有V偏析。熔覆层显微硬度达700HV,是基体的2.2倍。在优化的工艺条件下,磨损30min时,熔覆层磨损量是基体磨损量的43%,熔覆层的磨损机制为磨粒磨损,摩擦磨损和750℃热震实验结果表明,熔覆层具有良好的耐磨抗力和热冲击抗力。激光熔覆层能够显著提高基体材料的耐蚀性,熔覆层与基体材料间会发生电偶腐蚀,服役工况环境下表现为电化学相容。极化曲线和EIS测试结果表明,45钢沿基材向熔覆层表面方向,耐蚀性逐渐增强,耐蚀性顺序为DL155表面层>DL2501过渡层>45钢基体,呈梯度变化状态,且表面层的自腐蚀电流密度及腐蚀速率较过渡层和基体低一个数量级,表明45钢轧辊表面激光熔覆处理后的耐蚀性得到显著改善,熔覆层中高Cr、Ni元素及细晶强化作用可增强耐蚀性;M2高速钢熔覆层比基材自腐蚀电位高400 mV左右,但自腐蚀电流及腐蚀速率变化不明显,表明M2高速钢熔覆层对NCI基体的耐蚀性有所改善但不显著。利用物理模型构建45钢和NCI基材激光熔覆层在3.5wt%NaCl腐蚀介质中的等效电路均为R（QR）,耐蚀机制为表面物理机械阻挡。45钢/DL2501、45钢/DL155和NCI/M2电偶对在3.5wt%NaCl溶液中均发生电偶腐蚀,SEM形貌显示为明显的点蚀。依据HB 5374-87确定电偶对均为E级腐蚀,电偶腐蚀兼容性差,电化学不相容。电偶腐蚀动力学特征均为阳极活化极化,大阴极和小阳极的偶对几何尺寸会加速阳极溶解。但在实际工况条件下,经激光熔覆技术局部强化修复再制造的无缺陷热轧辊,修复区域与基材呈大阳极小阴极的几何尺寸,会抑制电偶腐蚀作用,表现为服役工况环境下的电化学相容。