近等物质的量比多元强化高铬铸铁堆焊层的组织设计与性能验证

文献概况与核心观点

胡士昌等人在《机械工程材料》2026年第6期发表的这篇文章，基于高熵合金设计理念，创新性地将近等物质的量比的Mo、V、Nb、Ti多元强化元素引入高铬铸铁堆焊层，通过手工电弧焊制备了两种成分的堆焊层，并与商用TN65高铬铸铁堆焊层进行了系统对比。研究结果表明，Mo/V/Nb/Ti的物质的量比为0.7:1.0:1.0:1.0的堆焊层（1#），其硬度和耐磨性能与TN65高度接近，且碳化物形态更优。该工作为高铬铸铁堆焊层的成分设计开辟了新思路。

关键技术要点解读

1. 成分设计的创新点

传统高铬铸铁堆焊层主要依靠C和Cr形成M7C3型碳化物来提供耐磨性，强化元素种类单一。文献引入的Mo、V、Nb、Ti四种强碳化物形成元素，具有以下独特作用：

• Mo：可形成M6C型碳化物，提高高温硬度；同时抑制M7C3的粗化。
• V：形成高硬度的VC（HV约2800），弥散分布，显著提升耐磨性。
• Nb：形成NbC（HV约2400），热稳定性好，在堆焊冷却过程中优先析出，可作为异质形核核心，细化晶粒。
• Ti：形成TiC（HV约3200），硬度极高，但过量会导致脆性。

文献采用“近等物质的量比”的设计思路，旨在使四种碳化物同时析出、相互竞争生长，从而获得更加均匀、细化的碳化物组织。这种多元素协同强化的思路，突破了传统单一元素添加的局限。

2. 显微组织特征

XRD分析表明，三种堆焊层（1#、2#、TN65）的物相组成相似，均由M7C3、γ-Fe、M3C、(Nb,Ti,Mo,V)C/(Nb,Ti,Mo,V)(B,C)和Fe2B组成。但微观形貌存在显著差异：

• 1#堆焊层：M7C3碳化物最圆整，数量最多，平均粒径最小（约12.45 μm）。
• 2#堆焊层：M3C共晶碳化物含量更高，但M7C3碳化物形态不及1#圆整。
• TN65：碳化物尺寸较大，形态呈六方棒状。

碳化物的圆整度和尺寸直接影响应力集中程度。圆整的碳化物不易成为微裂纹萌生源，在冲击磨损工况下具有更好的抗剥落能力。1#堆焊层在组织形态上的优势，为其优异的耐磨性奠定了基础。

3. 力学性能与耐磨性

1#堆焊层的硬度（64.1 HRC）与TN65（65.1 HRC）仅差1 HRC，磨损质量损失（0.0771 g）也接近TN65（0.0677 g）。考虑到TN65为商用成熟产品，1#堆焊层完全具备替代潜力。2#堆焊层性能略逊，说明Mo/V/Nb/Ti的比例微调对性能有显著影响。

工程实践启示

在钢管制造中，高铬铸铁堆焊层广泛应用于耐磨板、输送弯头、料斗衬板等部件。传统TN65虽然性能优异，但成本较高。文献开发的1#堆焊层，通过多元强化元素优化，实现了与TN65相近的性能，同时可能降低了对昂贵合金元素的依赖。例如，Nb的价格较高，但1#堆焊层中Nb的质量分数仅为1.22%，用量可控。若通过批量生产进一步降低成本，该材料有望替代TN65成为新一代耐磨堆焊材料。

个人思考与延伸疑问

文献采用手工电弧焊进行制备，工艺稳定性受人为因素影响较大。若将相同成分制成药芯焊丝，采用自动堆焊工艺，是否能获得更均匀的组织和更稳定的性能？这是值得深入研究的工程问题。自动堆焊可精确控制热输入和送丝速度，有利于碳化物的均匀析出。

另一个思考点是：文献仅对比了两种成分和TN65，未系统研究Mo/V/Nb/Ti比例对性能的影响规律。例如，当Ti含量继续增加时，是否会出现TiC过量导致脆性逆转？建议后续研究可采用正交试验法，建立成分-组织-性能的量化关系模型，为成分优化提供数据支撑。