铁基合金复合堆焊层高温氧化特性研究学习体会

研究背景与工程意义

段默然在《材料导报》2025年第39卷增刊2上发表的文章，针对火电厂磨辊等严重磨损工况，研究了在20G钢板表面通过钨极惰性气体保护电弧堆焊（GTAW）制备FeCrSiMnNbB合金复合堆焊涂层的高温氧化性能。这一研究直接面向火电厂磨煤机磨辊这一关键部件的寿命提升需求，具有明确的工程导向。

火电厂磨煤机磨辊在运行过程中同时承受磨粒磨损和高温氧化两种退化机制。磨辊表面温度可达300-500°C，加之煤粉中的硫化物等腐蚀介质，使得基体20G钢的耐氧化性能严重不足。通过堆焊高合金耐磨涂层，同时改善耐磨性和耐氧化性，是延长磨辊寿命的有效途径。

复合堆焊层设计思路

成分设计原则

文章指出，FeCrSiMnNbB合金的成分设计借鉴了非晶合金涂层体系的设计规则。非晶合金通常具有多主元、多组元的特征，通过高熵效应和短程有序结构实现优异的综合性能。具体到本合金体系：

单层与双层堆焊对比

文章通过对比单层和双层堆焊层的氧化增重动力学曲线，发现双层堆焊层的耐高温氧化性能优于单层堆焊层。这一结论可从以下方面解释：

1. 稀释率改善：多道堆焊技术使得表层合金成分更接近设计成分，减少了基体稀释对合金成分的影响。
2. 组织细化：循环水辅助堆焊工艺使得冷却速率较高，抑制了熔池金属的晶粒长大，促进了纳米相的自发生成。
3. 梯度结构形成：双层堆焊在界面处形成了成分和组织的梯度过渡，有利于氧化膜的连续形成。

高温氧化行为分析

氧化增重动力学

通过加速氧化测试得到的增重动力学曲线表明，堆焊层的氧化增重速率显著低于20G钢基体。根据Parabolic氧化定律，氧化增重与时间的平方根成正比，即ΔW = Kₚ√t。堆焊层的氧化速率常数Kₚ明显小于20G钢，说明氧化膜的阻挡效果更好。

氧化膜结构分析

利用SEM-EDS和XRD对氧化行为进行分析，发现堆焊层表面形成的氧化膜以Cr₂O₃和SiO₂为主，这种复合氧化膜具有：

• 低氧离子扩散系数，有效阻挡氧气向内扩散
• 高致密度，减少氧化膜中的孔洞和裂纹
• 与基体热膨胀系数匹配性好，减少热循环下的剥落

相比之下，20G钢基体形成的氧化膜以Fe₂O₃和Fe₃O₄为主，这些氧化物结构疏松、多孔，氧扩散系数大，无法形成有效的保护屏障。

工艺创新与工程应用

循环水辅助GTAW堆焊

文章采用的循环水辅助堆焊工艺是一个值得关注的技术创新。通过水冷铜喷嘴或水冷夹具，在堆焊过程中加速熔池冷却，实现了以下效果：

• 冷却速率提高，晶粒细化
• 纳米相自发生成，弥散强化效果增强
• 残余应力降低，减少堆焊层开裂倾向

这种工艺对于薄壁工件和热敏感材料的堆焊修复尤为重要，在电厂设备检修中具有推广价值。

工程应用建议

基于本文的研究成果，在火电厂磨辊堆焊修复中建议：

• 优先采用双层堆焊方案，以充分发挥梯度结构的抗氧化优势
• 控制堆焊层厚度在2-4mm范围内，兼顾耐磨性和抗氧化性
• 采用循环水辅助冷却，确保纳米相的生成和晶粒细化
• 堆焊后进行适当的热处理，消除残余应力并稳定组织

这篇文章的研究方法体现了从成分设计到工艺优化再到性能验证的完整技术链条，对于从事电厂耐磨件修复的技术人员具有重要的参考价值。