钛化物陶瓷颗粒增强铁基堆焊合金层组织及耐磨性研究学习体会

文献概况与研究意义

本文发表于《兵器材料科学与工程》2026年第49卷第4期，由大连海洋大学朱书志、贾华、徐令、于靖航四位作者完成。研究在Q235钢表面采用明弧堆焊制备两种铁基合金层：基础配方Fe-Cr-C-B-N和添加4%钛的Fe-Cr-C-B-N-Ti，系统研究了钛的添加对原位合成钛化物陶瓷颗粒、堆焊层组织及耐磨性的影响。该研究对于开发低成本、高耐磨的堆焊修复材料具有重要的工程应用前景。

组织演变与相组成分析

堆焊层相组成对比

含钛配方堆焊层的组织特征值得关注：灰黑色钛化物陶瓷硬质相颗粒（TiC、TiB₂、TiN）多为形状不规则的细小颗粒，呈均匀弥散分布。初生奥氏体晶粒细化，内部有板条马氏体生成。共晶组织呈断续网状分布，其中硬质相数量相对减少但分布更均匀。这种组织演变对耐磨性的提升具有直接的微观机制解释。

钛的添加对组织的调控机制

钛作为强碳化物形成元素，其添加引发了以下关键冶金反应：

1. 钛优先与碳、硼、氮结合，原位合成TiC、TiB₂、TiN等高熔点陶瓷颗粒，这些颗粒硬度极高（TiC约2800 HV，TiB₂约4200 HV，TiN约1800 HV），成为堆焊层中的强化相。
2. 钛的消耗降低了基体中M₂₃(C,B)₆等碳化物的含量，使共晶组织由连续网状转变为断续网状，改善了堆焊层的韧性。
3. 钛的添加促进了初生奥氏体晶粒的细化，细化效应通过Hall-Petch关系提升了基体强度。

耐磨性试验结果分析

磨损量降低20.8%是一个相当显著的提升。从微观机理分析，钛化物陶瓷颗粒的均匀弥散分布提供了以下耐磨机制：

• 硬质相的"钉扎效应"：TiC、TiB₂等颗粒阻碍位错运动，提高基体强度。
• 颗粒的"牺牲保护效应"：在磨损过程中，硬质颗粒优先磨损，保护基体免受进一步侵蚀。
• 共晶组织的改善：断续网状共晶减少了应力集中点，延缓了疲劳裂纹的萌生与扩展。

工程应用思考与实践建议

从工程应用角度看，该研究存在几个值得关注的方面：

第一，明弧堆焊工艺（SMAW）具有设备简单、操作灵活、现场适应性强等优点，特别适合现场修复作业。但明弧堆焊的保护效果不如GTAW或GMAW，在钛化物颗粒的生成过程中，氮化物的形成可能受到大气中氮的影响。在实际应用中，应注意焊接环境的控制，避免过度氧化和氮化。

第二，4%钛的质量分数是一个值得进一步优化的参数。钛含量过低则硬质相生成不足，过高则可能导致堆焊层脆性增大、裂纹敏感性增加。建议在实际应用中开展不同钛含量的梯度试验，确定最优配比。

第三，该堆焊层应用于Q235钢基体，属于低碳钢与高合金堆焊层的异种材料组合。在实际焊接中，熔合区的稀释效应和热裂纹敏感性是需要重点关注的工艺问题。建议采用多层多道焊工艺，控制熔合比，并在必要时增加预热温度以降低残余应力。

第四，从耐磨机理来看，该堆焊层在干摩擦和磨粒磨损条件下表现良好。但在腐蚀磨损（如含介质环境下的磨损）条件下，钛化物颗粒与基体的界面结合强度可能成为薄弱环节，需要进一步验证。

总体而言，钛化物陶瓷颗粒增强铁基堆焊合金的研究方向具有明确的工程价值，特别是在矿山机械、水泥设备、电力设备等领域的耐磨修复中，有望替代传统的高成本硬质合金堆焊材料，实现性能与成本的最佳平衡。