钛化物陶瓷颗粒增强铁基堆焊合金层耐磨性能研究的学习体会

文献概况与研究背景

朱书志等作者来自大连海洋大学，在《兵器材料科学与工程》2026年第49卷第4期发表的这篇论文，研究了钛化物陶瓷颗粒增强铁基堆焊合金层的组织及耐磨性。研究在Q235钢表面采用明弧堆焊制备了两种铁基堆焊合金层：Fe-Cr-C-B-N和添加4%钛的Fe-Cr-C-B-N-Ti，通过金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、洛氏硬度计和磨损试验机系统研究了原位合成钛化物陶瓷颗粒对堆焊层组织和耐磨性的影响。这一研究方向与我长期关注的表面工程强化技术高度相关，特别是在海洋工程和重型机械领域，耐磨堆焊层的应用极为广泛。

微观组织分析

钛化物陶瓷颗粒的相组成与分布

文章的核心发现是添加4%钛后，堆焊层中形成了TiC、TiB₂、TiN等多种灰黑色钛化物陶瓷硬质相颗粒，这些颗粒形状不规则、尺寸细小，呈均匀弥散分布。这一组织特征对于耐磨性能的提升至关重要。

值得注意的是，添加钛后共晶组织中的硬质相M₂₃(C,B)₆、M₃(C,B)和M₂B数量相对减少，但分布更加均匀。这一变化说明钛的加入改变了凝固路径，促进了原位合成钛化物颗粒的成核和生长，同时抑制了部分共晶硬质相的形成。这种"减量增均"的组织演变对于提高堆焊层的综合耐磨性能是有利的——过量的粗大共晶碳化物往往成为脆性断裂源，而均匀的细小硬质相则能有效阻碍位错运动和裂纹扩展。

初生奥氏体晶粒细化效应

文章提到添加钛后初生奥氏体晶粒细化，内部有板条马氏体生成。这一现象的机理在于钛化物颗粒作为异质形核核心，降低了奥氏体形核所需的过冷度，从而细化了凝固组织。晶粒细化带来的Hall-Petch效应显著提高了基体强度，同时板条马氏体的形成赋予了材料较好的韧性，避免了单一脆性组织导致的耐磨性下降。

力学性能与耐磨性评价

硬度与磨损量数据

实验数据显示，添加4%钛的Fe-Cr-C-B-N-Ti堆焊层硬度达到66 HRC，磨损量为0.0429 g。与未添加钛的Fe-Cr-C-B-N堆焊层相比，硬度提高了5.3%，磨损量减少了20.8%。

从数据来看，硬度仅提高了5.3%，但磨损量减少了20.8%，这一不成比例的变化说明耐磨性的提升不仅仅依赖于硬度，更与硬质相的分布均匀性、基体韧性以及磨损机制的转变密切相关。根据Archard磨损定律，磨损量与硬度成反比关系，但实际磨损行为远比这一简单模型复杂，特别是对于含硬质相的复合涂层材料。

耐磨机制分析

从磨损机制的角度分析，钛化物陶瓷颗粒的均匀弥散分布有效阻碍了磨粒切削和犁沟作用。当磨粒试图在堆焊层表面切削时，高硬度的TiC和TiB₂颗粒作为"路障"迫使磨粒偏转或破碎，同时细小均匀的颗粒分布避免了应力集中导致的基体剥离。此外，板条马氏体基体提供了良好的塑性变形能力，能够吸收磨粒切削产生的能量，延缓裂纹萌生和扩展。

工艺与工程应用思考

明弧堆焊工艺特点

文章采用明弧堆焊（SMAW）工艺制备堆焊层，这是一种在现场施工和大型工件表面强化中广泛应用的工艺。明弧堆焊的优点是设备简单、操作灵活、不受场地限制，但缺点是热输入较大、稀释率较高、层间温度难以精确控制。对于含钛的堆焊合金，钛元素极易氧化，在明弧堆焊的开放大气环境中，钛的烧损是一个需要关注的问题。

从工艺控制的角度，建议在实际应用中注意以下几点：

• 控制层间温度，避免过高的层间温度导致钛化物颗粒粗化和晶界氧化
• 采用短弧操作，减少熔池暴露时间，降低钛的氧化损失
• 适当增加钛的添加量（考虑烧损后实际含量），确保最终堆焊层中钛化物颗粒的充分形成
• 必要时采用药皮中钛的稳定化措施，或在焊丝中添加少量铝、钒等元素协同稳定

工程应用场景

钛化物陶瓷颗粒增强铁基堆焊层的耐磨性能使其适用于多种恶劣工况：

• 海洋工程中的锚链、绞刀、螺旋桨等耐磨部件
• 矿山机械中的铲斗、破碎机衬板、输送辊筒
• 电力行业中的磨煤机磨辊、风机叶片
• 水泥行业中的立磨辊套、选粉机叶片

学习心得与启示

这篇文献让我深刻认识到，在铁基堆焊合金中引入钛元素通过原位合成陶瓷颗粒来增强耐磨性，是一条技术经济性好、工艺适应性强的有效途径。与传统的添加碳化钨或碳化硅等外购硬质相相比，原位合成的钛化物颗粒与基体的结合更加牢固，避免了硬质相脱落的问题，同时颗粒尺寸细小、分布均匀，不会显著损害基体韧性。

从材料设计方法论的角度，这一研究体现了"相组成-组织形态-性能"的关联思想。钛的加入不仅改变了硬质相的种类和数量，更重要的是改变了这些相的分布状态和基体的组织特征，这种"协同优化"的思路值得在其他堆焊合金设计中借鉴。对于从事表面工程技术的工程师而言，理解合金元素对凝固组织的影响机制，是优化堆焊层性能的关键。