钛化物陶瓷颗粒增强铁基堆焊合金层组织演变与耐磨性能提升

文献概况与研究意义

朱书志、贾华、徐令、于靖航四位作者在《兵器材料科学与工程》2026年第4期发表的这篇研究，聚焦于通过添加钛元素原位合成钛化物陶瓷颗粒来增强铁基堆焊合金层的耐磨性。研究在Q235钢基板上采用明弧堆焊（FCAW）制备了Fe-Cr-C-B-N和Fe-Cr-C-B-N-Ti两种铁基堆焊合金层，通过金相显微镜、SEM、XRD、洛氏硬度计和磨损试验机系统研究了组织与耐磨性的关系。对于从事耐磨堆焊工艺开发的同行而言，这一研究提供了重要的合金设计思路。

组织演变机制分析

添加4%质量分数钛后，堆焊合金层的组织发生了显著变化。从XRD和SEM分析结果来看，主要组织相包括：

从组织演变机理来看，钛的添加产生了两个关键效果：

1. 晶粒细化效应：钛作为强碳化物形成元素，在凝固过程中优先形成高熔点钛化物（TiC熔点约3140°C，TiN熔点约2950°C），这些高熔点颗粒作为异质形核核心，有效细化了初生奥氏体晶粒。晶粒细化不仅提高了基体强度（Hall-Petch关系），还改善了韧性。
2. 共晶组织调控：钛的加入改变了熔池中的C、B元素活度，导致共晶组织中传统硬质相（M₂₃(C,B)₆、M₃(C,B)、M₂B）数量减少，但这些相的分布更加均匀。这种"减量增均"的组织演变对于耐磨性具有双重意义——虽然硬质相总量减少，但均匀分布避免了局部应力集中，提高了整体耐磨性能。

耐磨性能对比分析

研究给出的耐磨性能数据具有重要的工程参考价值：

值得注意的是，硬度仅提高5.3%，但磨损量减少了20.8%。这一显著差异说明耐磨性的提升不仅仅取决于硬度，更重要的是组织结构的整体优化——硬质相的均匀弥散分布、基体的晶粒细化以及韧性改善共同作用的结果。这与经典的Archard磨损方程中磨损率与硬度的反比关系有所偏差，说明在实际工况下，组织的均匀性和韧性对耐磨性具有不可替代的贡献。

工艺参数与工程应用思考

从明弧堆焊（FCAW）工艺角度来看，钛的添加对焊接工艺可能产生以下影响：

• 熔池流动性：钛化物颗粒的形成可能增加熔池黏度，影响熔敷成形；
• 热裂纹敏感性：高熔点钛化物的存在可能改变低熔点共晶的分布，需关注热裂纹倾向；
• 稀释率控制：钛元素的稀释可能导致实际合金成分偏离设计值，需通过多次熔敷或增加钛含量来补偿。

在实际工程应用中，这类钛化物增强的铁基堆焊合金层特别适用于矿山机械、水泥设备、电力设备等存在严重磨粒磨损工况的零件修复。相比传统高铬铸铁堆焊层，铁基合金层具有更好的韧性和抗热疲劳性能，更适合承受冲击载荷的工况。

学习心得与启示

这篇研究给我最大的启示是：耐磨堆焊合金的设计不能仅关注硬度指标，更要从组织均匀性、相组成多样性、基体韧性等综合角度进行优化。钛作为一种成本相对较低的合金元素，通过原位合成多种钛化物陶瓷颗粒，实现了"一石多鸟"的增强效果。这种思路对于开发新型耐磨堆焊合金具有重要的指导意义。同时，研究采用的明弧堆焊工艺具有良好的生产效率和适应性，适合现场修复作业，具有较好的工程推广价值。