原位合成多碳化物铁基涂层的显微组织与磨料磨损性能

《Next Materials》：Microstructure and abrasive wear of in-situ synthesized multi-carbide Fe-based coatings

　　

摘要：本研究采用等离子转移弧（Plasma Transferred Arc, PTA）熔覆技术，利用三种不同粉末混合料制备铁基涂层，旨在实现碳化物相的原位（in-situ）形成。研究目的是探明原位合成多碳化物相对所制涂层显微组织、硬度及磨料磨损抗力的影响。喂料成分由33 wt% AISI 316L不锈钢、20 wt% TiO2、27 wt%石墨及20 wt%（分别为Zr、Nb或Mo）组成。研究人员将Thermo-Calc热力学模拟结果与实验结果对比，用以预测涂层中碳化物稳定性。计算表明：Zr倾向于形成稳定ZrC及(Zr,Ti)C；Nb几乎完全消耗于NbC及(Nb,Ti)C中；Mo则促进含(Ti,Mo)C及Fe–Mo–C化合物在内的多相碳化物发展——这与X射线衍射（X-Ray Diffraction, XRD）观测结果吻合。扫描电镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）及能谱仪（Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS）微结构分析证实Fe基基体内形成了细小MC型碳化物。含Mo涂层平均硬度最高，达755 HV5及770 HV10。磨料磨损试验显示其磨损率较含Nb涂层低约1.6倍，较含Zr涂层低约2.4倍。本研究证明了利用原位多碳化物相设计制备耐磨铁基涂层的潜力，为高性硬面堆焊（hardfacing）成分设计提供了新思路。

论文解读：原位合成多碳化物Fe基涂层显微组织与磨料磨损性能研究

本研究发表于《Next Materials》。工业用奥氏体不锈钢如AISI 316L力学与耐蚀性良好且成本低廉，但其硬度偏低、耐磨性差，在矿山机械、泵件及滑动部件等磨粒摩擦环境中易发生磨料磨损导致寿命缩短。等离子转移弧（Plasma Transferred Arc, PTA）堆焊因能量密度高、稀释率低且电弧稳定，适合制备原位（in-situ）硬质相增强涂层；相比外加（ex-situ）陶瓷颗粒，原位合成的碳化物与金属基体界面结合强、分布均匀。过渡金属碳化物（Transition Metal Carbides, TMCs）如TiC、ZrC、NbC及Mo₂C具备高熔点与高热化学稳定性，但目前多数研究集中于单一碳化物体系，多碳化物协同增强Fe基涂层并在PTA工艺下对比Zr/Nb/Mo体系尚缺乏系统报道，且Thermo-Calc热力学模拟在此类原位合成实验中的整合应用亦有限。因此研究人员设计了含TiO₂–C–316L及Zr/Nb/Mo的三种粉末体系，通过PTA熔覆原位合成多碳化物Fe基涂层，结合热力学模拟与实验表征，评价其对显微组织、硬度及ASTM G65三体磨料磨损性能的影响。

主要关键技术方法：

研究人员以S235JR低碳钢为基体，配制三种粉末混合物（各含33 wt% AISI 316L SS、20 wt% TiO₂、27 wt%石墨及20 wt% Zr/Nb/Mo），球磨混粉、预压平铺并预热后采用PTA熔覆制备涂层。利用Thermo-Calc 2024b（TCFE13数据库）进行平衡相计算（500–3000 °C，排除氧以模拟碳热还原后体系）。对熔覆后涂层横截面进行镶嵌、研磨抛光，通过SEM（配EDS）观察显微组织及元素分布，XRD（Cu Kα）鉴定物相。硬度测试按EN ISO 6507标准以5 kgf与10 kgf载荷测截面与表面维氏硬度。磨料磨损按ASTM G65–16(2021)干砂橡胶轮法测试，以质量损失换算体积损失及比磨损率（specific wear rate），并与商用NiCrSiB+35 wt% WC（CDP112）参比材料对比。

3. Results and discussion

3.1. Thermo-Calc analysis

研究人员对C1（含Zr）、C2（含Nb）、C3（含Mo）体系做平衡计算。C1预测生成稳定TiC、ZrC及(Zr,Ti)C，Zr优先进入Zr(Ti)C相；C2中Nb几乎完全消耗形成NbC与(Nb,Ti)C固溶体；C3相演变最复杂，除(Ti,Mo)C外还预测存在(Fe,Mo)C、MoC及Fe₂₀Mo₃C₆等Fe–Mo–C化合物，Mo在多种碳化物间分配。模拟结果与文献中TMC形成焓及(Ti,Nb)C固溶倾向相符。

3.2. Phase analysis

XRD检测到所有涂层均以BCC α-Fe为主（316L奥氏体基体经PTA快冷及碳化物诱发应力致γ→α相变），并检出MC型碳化物：C1为TiC+ZrC及少量(Zr,Ti)C固溶峰；C2为(Nb,Ti)C固溶体；C3为(Ti,Mo)C及Mo₂C特征峰；C2与C3还检出非平衡亚稳相Ni₄Ti₃（源于快速凝固及局部Ni–Ti富集区热循环），未见于Thermo-Calc平衡预测。SEM/EDS显示C1中TiC较粗、ZrC较细；C2碳化物偏小且稀疏分布，呈Ti芯–Nb环核壳（core–rim）结构；C3含大量角状TiC/(Ti,Mo)C团聚或短链，Mo₂C呈细棒状弥散，硬相骨架更连续。无游离石墨被XRD检出。涂层整体致密无贯穿裂纹，偶见孔隙。

3.3. Hardness

含Mo涂层（C3）截面硬度达692±16 HV5与798±34 HV10，表面硬度达755±69 HV5与770±33 HV10，显著高于C1（~512 HV5）与C2（~561 HV5），也高于参比CDP112（~630 HV5）。C1与C2硬度略低于CDP112。C3高硬度归因于多相(Ti,Mo)C、Mo₂C及较均匀碳化物分布产生的协同强化；HV10略高于HV5提示大压痕更易跨越碳化物颗粒。

3.4. Abrasive Wear Test

ASTM G65磨料磨损结果显示：C1体积损失最大（43±19 mm³），比磨损率(7±3)×10^?5mm³/(N·m)；C2中等（29±9 mm³，(4.7±1.5)×10^?5mm³/(N·m)）；C3磨损最低（18±3 mm³，(2.8±0.5)×10^?5mm³/(N·m)），与CDP112参比相当。C3磨损率约为C2的1/1.6、C1的1/2.4。磨损机制以微切削与犁沟为主，低硬度C1伴随明显塑性变形与磨料嵌入转移层；C3碳化物均匀分布、保留好，磨沟浅且变形轻。EDS磨损面显示C3中Ti–Mo–C富集区均匀，Si–O–Al磨粒嵌入少。Ni₄Ti₃含量极低，对耐磨性贡献可忽略。

讨论与结论翻译（Conclusion部分归纳）：

研究人员得出结论：（1）含Mo涂层（C3）截面与表面硬度最高，HV5与HV10值较C1与C2高约1.2–1.7倍，归因于(Ti,Mo)C与Mo₂C相协同强化及碳化物均匀分布；（2）磨料磨损主导机制为微切削与犁沟，低硬度涂层塑性变形与转移层更显著；（3）C3比磨损率最低（约3×10^?5mm³/(N·m)），较C1约低2.4倍、较C2约低1.6倍。研究表明TiO₂辅助原位多碳化物设计可有效提升Fe基堆焊涂层耐磨性，其中Mo系多碳化物体系综合性能最优，为高性能硬面堆焊成分开发提供了实验与理论依据。