引言
H13钢是一种典型的空气硬化钢，由于其优异的硬化性、韧性以及抗热疲劳性，在关键承重部件中被广泛使用，包括热锻模具、热挤压模具和隧道掘进机（TBM）切削环[[1], [2], [3], [4]]。然而，在涉及重接触应力和循环载荷的严重摩擦学条件下，表层容易发生局部塑性变形、研磨犁耕和部分剥落，最终导致尺寸退化和提前失效[[5], [6], [7]]。因此，通过再制造技术在H13钢上制造高性能耐磨涂层对于恢复或增强部件性能以及促进高端工程设备的可持续利用具有重要意义。
基于铁的耐磨涂层已成为表面强化和H13钢再制造的有希望的选择，主要是因为它们与钢基底的良好冶金相容性、热膨胀行为的兼容性以及成本效益[[8], [9], [10]]。近年来，通过成分设计将高硬度碳化物（如MC、M2C、M6C、M7C3和M23C6）加入基于铁的涂层中，以提高耐磨性[[11], [12], [13], [14], [15], [16]]。然而，现有的研究主要集中在通过增加硬质相含量或提高整体涂层硬度来增强耐磨性，而对不同类型和尺度的碳化物与金属基体之间的协同效应关注较少[[17], [18], [19], [20], [21]]。实际上，磨损失效不仅仅由硬度决定，而是由研磨穿透、犁耕、局部塑性流动、界面损伤和硬质相剥落等复杂相互作用引起的[[22], [23], [24]]。这些行为与增强相的尺度、形态和空间分布以及它们与金属基体的变形兼容性密切相关[[25], [26], [27], [28], [29]]。
因此，将设计策略从简单提高硬度转向构建合理的多尺度强化结构，是开发高性能基于铁的耐磨涂层的重要方向。药芯焊丝电弧添加制造（WAAM）为这种复合涂层的原位制造提供了一种灵活高效的途径[[30]]。通过将Ti、Nb、V、W和Cr等碳化物形成元素以及碳源加入药芯焊丝中，可以在熔池反应过程中直接生成碳化物[[31,32]]。与外部添加的颗粒相比，原位沉淀的相具有更干净的界面、更强的冶金结合和更好的微观结构稳定性[[33,34]]。此外，该技术具有高沉积效率、低加工成本，并且非常适合大规模部件的再制造[[35]]。
值得注意的是，WAAM过程中的固有多道次热循环通常被认为是有害的，会导致微观结构不均匀性和性能波动[[36], [37], [38], [39]]。然而，从微观结构调节的角度来看，这种固有的热历史可以被视为一种原位热处理过程[[40]]。沉积过程中的快速固化可以通过溶质偏聚实现原位形成初级碳化物，而随后的热循环可能进一步促进局部碳化物溶解、元素重新分布和次级沉淀[[41]]。这些观察表明，沉积过程中固有的热循环并不一定会导致微观结构退化。相反，它可能为多尺度碳化物结构的动态构建提供独特的条件。然而，如何主动利用药芯焊丝的合金设计和沉积热历史来实现不同尺度碳化物的原位形成和重构，从而充分激活它们的协同强化效应，目前仍缺乏系统的理解。
为此，本研究提出了一种双重原位强化策略，通过药芯焊丝的多组分设计在基于铁的复合涂层中构建梯度多尺度碳化物结构。首先，加入药芯焊丝中的强碳化物形成元素在熔池内的快速固化过程中促进微米尺度初级碳化物的形成。随后，与WAAM相关的固有热循环对过饱和基体产生原位回火效应，促进短程溶质扩散和次级沉淀，最终实现分散的纳米级强化相的形成。
通过这两种机制的耦合，实现了从熔池内的冶金反应到固态沉淀的连续微观结构调节，最终构建出具有协同强化效应的多尺度碳化物结构。在此基础上，针对H13钢部件在严重磨蚀条件下的服役要求，将制备涂层的耐磨性与用于TBM切削环的H13钢进行了比较，以评估其在表面强化和高度耐磨部件再制造中的潜力。本研究为通过原位微观结构调节开发长寿命耐磨涂层提供了新的途径。
