铁基合金复合堆焊层高温氧化特性研究学习体会

文献概况与工程背景

段默然等发表于2025年《材料导报》第39卷S2期的这篇论文，聚焦于火电厂磨辊等严重磨损工况下堆焊层的高温抗氧化性能问题。火电磨煤机磨辊在运行过程中，磨盘与磨辊之间存在剧烈的相对滑动摩擦，局部摩擦热可使接触面温度瞬间升至400℃以上，同时磨辊表面暴露于高温含尘气流环境中，氧化与磨损耦合作用显著。传统碳钢磨辊在如此严苛工况下，其表面氧化增重速率高，氧化皮容易剥落，加速了材料的体积损失。该研究选择20G钢板作为基体，采用钨极惰性气体保护电弧堆焊工艺（GTAW），在其表面制备不同厚度的FeCrSiMnNbB合金复合堆焊涂层，模拟磨损微观过程中的高温氧化环境，对堆焊层和基体20G钢进行耐高温氧化性能加速测试，获取氧化增重动力学曲线，并利用SEM-EDS、XRD和光学显微镜（OM）对氧化行为和机理进行系统分析。

核心结论与技术解读

研究结果表明，堆焊层的耐高温氧化性能明显优于20G钢基体，且双层堆焊层的抗氧化性能优于单层堆焊层。这一结论具有明确的工程指导意义。从材料设计角度分析，FeCrSiMnNbB合金成分借鉴了非晶合金涂层体系的设计规则，即通过多主元、多组元配置来增加合金的构型熵，抑制平衡相的长程有序排列，促进非晶或纳米晶相的形成。在循环水辅助的堆焊过程中，冷却速率显著提高，熔池金属的晶粒长大受到有效抑制，促进了纳米相的自发生成。纳米晶粒具有大量的晶界面积，晶界处的高能状态有利于氧原子的快速扩散与选择性氧化，从而在表面形成致密的Cr₂O₃和SiO₂复合氧化膜，有效阻挡了氧的进一步向内扩散。

工艺参数与稀释率控制

双层堆焊层性能优于单层堆焊层，这与稀释率控制密切相关。在GTAW堆焊过程中，基体金属的熔化会稀释堆焊合金的合金元素含量，特别是Cr和Si等关键抗氧化元素的浓度降低，导致氧化膜的形成能力和稳定性下降。多道堆焊技术通过增加堆焊道数，使得后续堆焊层覆盖在先前的合金层之上，有效降低了基体对最终堆焊层的稀释效应，使合金成分更接近设计配方。在实际生产中，控制稀释率的关键工艺参数包括焊接电流、焊接速度、送丝速度和层间温度。电流过大或速度过慢会导致熔深过大，稀释率升高；而循环水辅助冷却则可以在不降低熔敷效率的前提下提高冷却速率，促进细晶和纳米相的形成。

工程实践启示与思考

该研究对火电磨辊堆焊修复具有直接的指导价值。在实际火电厂检修中，磨辊堆焊修复后往往出现早期氧化失效，使用寿命远低于预期。从本文的研究可以得出以下工程启示：一是堆焊合金设计应引入Si和Nb等元素，利用SiO₂和Nb₂O₅的强化作用提升氧化膜稳定性；二是多道堆焊优于单道堆焊，虽然增加了工时成本，但显著提升了服役性能；三是冷却速率是控制微观组织的关键变量，循环水辅助冷却是一种经济有效的工艺手段。

然而，本文的研究也存在一些值得进一步探讨的问题。首先，加速氧化试验的温度范围和试验时长是否能够真实反映火电磨辊的服役条件，需要与现场运行数据进行对照验证。其次，高温氧化与磨损的耦合作用是磨辊失效的主要模式，单纯的氧化试验无法完全揭示磨损-氧化协同失效的机理。最后，FeCrSiMnNbB合金中B元素的添加对高温氧化膜的影响尚不明确，B在高温下可能形成硼化物，其稳定性需要进一步评估。总体而言，该研究为火电磨辊堆焊修复提供了有价值的材料选择和工艺优化方向，但在工程应用中仍需结合具体的工况条件进行针对性验证。