钛化物陶瓷颗粒增强铁基堆焊合金层组织与耐磨性研究学习体会

研究背景与技术路线

大连海洋大学朱书志等人在《兵器材料科学与工程》2026年第49卷第4期发表的这篇文献，采用明弧堆焊（SMAW）工艺在Q235钢表面制备了两种铁基堆焊合金层：Fe-Cr-C-B-N基体合金和添加4%钛的Fe-Cr-C-B-N-Ti增强合金。通过金相显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）和洛氏硬度计等分析手段，系统研究了钛化物陶瓷颗粒对堆焊层显微组织和耐磨性的影响。该研究的技术路线清晰，从成分设计到工艺制备，从微观组织表征到宏观性能评价，形成了完整的研究闭环。

组织演变与强化机制

从金相分析结果来看，添加4%钛后的堆焊层组织发生了显著变化。未添加钛的基体合金层主要由板条马氏体、残余奥氏体以及M₂₃(C,B)₆、M₃(C,B)、M₂B等金属碳化物/硼化物组成。而添加钛后，原位合成了TiC、TiB₂、TiN三种灰黑色钛化物陶瓷硬质相颗粒，这些颗粒呈不规则形状、细小尺寸、均匀弥散分布。这一组织特征具有重要的工程意义。

微观组织对比分析

钛化物陶瓷颗粒的强化机制可以从以下几个层面理解。首先，TiC（硬度约2500-3000 HV）、TiB₂（硬度约4000 HV）和TiN（硬度约1500-2000 HV）本身具有极高的硬度，作为硬质相在磨粒磨损中起到关键的抗切削作用。其次，这些陶瓷颗粒的弥散分布对位错运动产生阻碍，产生弥散强化效应。第三，钛元素的加入促进了奥氏体晶粒的细化，晶粒细化同时提高了强度和韧性，改善了材料的综合力学性能。第四，共晶组织中金属碳化物数量的减少和分布的均匀化，有效降低了堆焊层的脆性倾向，减少了因网状碳化物导致的裂纹萌生风险。

从焊接冶金角度分析，钛作为一种强碳化物/氮化物/硼化物形成元素，在堆焊层凝固过程中优先与C、N、B结合形成高熔点陶瓷相。这些陶瓷相的熔点远高于金属基体（TiC熔点约3150°C，TiB₂约3225°C，TiN约2950°C），因此在凝固过程中最早析出，形成初生相。随后金属基体在其周围凝固，形成陶瓷颗粒弥散分布在金属基体中的复合组织。这种"原位合成"的颗粒增强复合材料，其界面结合力远优于外加颗粒增强的复合材料，因为陶瓷相与金属基体是在同一凝固过程中协同形成的。

工艺参数与工程应用思考

明弧堆焊（SMAW）作为一种传统的堆焊工艺，具有设备简单、操作灵活、成本较低等优点，广泛应用于现场修复和大型构件的堆焊作业。但同时也存在熔敷效率低、合金收得率低、组织均匀性难以保证等不足。文献中采用SMAW制备的堆焊层，其组织均匀性在一定程度上受到焊接热循环的影响。在实际工程中，如果需要更高要求的组织均匀性和性能稳定性，可以考虑采用埋弧自动堆焊（SAW）或药芯焊丝气体保护堆焊（FCAW）等工艺。

从工程应用角度看，钛化物陶瓷颗粒增强铁基堆焊合金层特别适用于以下工况：矿山机械的耐磨衬板（如球磨机衬板、振动筛筛板）、水泥工业的耐磨衬里（如回转窑衬板、选粉机衬板）、电力行业的耐磨部件（如磨煤机磨辊、风机叶片）以及海洋工程中的耐磨防腐复合层。在海洋环境中，钛化物陶瓷颗粒不仅提供耐磨性，还可能改善耐海水腐蚀性能，因为TiN和TiC在海水中的化学稳定性较好。

工程应用中的关键考量

在实际工程应用中，需要关注以下关键问题：

• 焊接工艺窗口：钛元素的加入可能改变堆焊层的凝固特性，需要优化焊接电流、电压、焊接速度和层间温度等参数，以避免冷裂纹或热裂纹的产生。
• 稀释率控制：Q235钢基体对堆焊层的稀释作用会影响最终合金成分，需要通过多层堆焊或预堆焊过渡层来降低稀释率。
• 热裂纹敏感性：钛化物陶瓷颗粒的存在可能改变凝固裂纹的敏感性，需要关注焊接残余应力对裂纹萌生的影响。
• 硬度与韧性的平衡：66 HRC的硬度虽然较高，但过高的硬度可能导致脆性增加，需要评估冲击韧性和断裂韧性。

学习心得与展望

这篇文献的研究成果为铁基堆焊合金的耐磨性能提升提供了新的思路。传统的铁基堆焊合金主要依靠金属碳化物（如Cr₇C₃、M₂₃C₆等）提供耐磨性，而钛化物陶瓷颗粒的引入开辟了一条新的强化途径。从材料设计角度看，这种"金属基体+陶瓷增强相"的复合强化策略，在保持金属基体良好韧性和加工性能的同时，显著提高了耐磨性，是一种值得深入研究的材料设计方法。

未来值得关注的方向包括：进一步研究钛含量对组织与性能的影响规律，确定最优钛添加量；探索钛与其他合金元素（如Mo、W、V等）的协同效应；开展不同磨损工况（干摩擦、湿摩擦、冲蚀磨损、热磨损等）下的磨损行为研究；开发适用于不同焊接工艺（SAW、FCAW、TIG等）的钛增强铁基堆焊材料体系。