【摘 要】
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过共晶Fe-Cr-C合金因其优异耐磨性被广泛应用于对耐磨性要求苛刻的堆焊增材制造及再制造领域。过共晶Fe-Cr-C合金中的初生M7C3碳化物是其主要强化相,决定了合金的耐磨性。然而,当初生M7C3碳化物尺寸较大时,容易从基体中开裂剥落,从而降低了合金的使用寿命。通过添加合金元素Ti、Nb和N,细化M7C3碳化物,可以改善其抗开裂剥落性能,但仍存在M7C3碳化物尺寸不均匀现象。因此,进一步细化初生M
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过共晶Fe-Cr-C合金因其优异耐磨性被广泛应用于对耐磨性要求苛刻的堆焊增材制造及再制造领域。过共晶Fe-Cr-C合金中的初生M7C3碳化物是其主要强化相,决定了合金的耐磨性。然而,当初生M7C3碳化物尺寸较大时,容易从基体中开裂剥落,从而降低了合金的使用寿命。通过添加合金元素Ti、Nb和N,细化M7C3碳化物,可以改善其抗开裂剥落性能,但仍存在M7C3碳化物尺寸不均匀现象。因此,进一步细化初生M7C3碳化物并改善其尺寸均匀性,成为突破过共晶Fe-Cr-C堆焊合金应用领域瓶颈的关键。本文在过共晶Fe-Cr-C-Ti-Nb-N堆焊合金基础上添加稀土氧化物CeO2,采用第一性原理方法计算了CeO2与初生M7C3碳化物和（Ti,Nb）（C,N）碳氮化物之间的结合功、界面能、电子结构和成键性质。计算了（Ti,Nb）（C,N）碳氮化物的声子谱和结合能。分析了在过共晶Fe-Cr-C-Ti-Nb-N堆焊合金中CeO2作为初生M7C3碳化物和（Ti,Nb）（C,N）碳氮化物异质核心的有效性。采用金相、XRD、SEM等对过共晶Fe-Cr-C-Ti-Nb-N-CeO2堆焊合金显微组织进行了分析和观察。使用CSM对合金的耐磨性进行了测定。由于M7C3晶体结构复杂,为降低CeO2与M7C3的错配度,采用CeO2（111）面与M7C3（0001）面搭建界面。在CeO2（100）面和M7C3（0001）面之间建立了三种界面模型,其中O1-M7C3界面的界面粘结功最大,为16.29J/m2;界面能最小,为-9.49J/m2。从热力学的角度来看,这个界面是稳定的。O1-M7C3界面的键主要是离子键。因此,CeO2具备作为M7C3异质核心的条件且倾向于形成O终止异质形核界面。通过计算声子谱和结合能,得到（Ti,Nb）（C,N）碳氮化物最稳定的结构是Ti3Nb CN3。Ti3Nb CN3（111）面与CeO2（100）面的二维晶格错配度为6.47%,符合中等有效异质形核条件。在Ti3Nb CN3（111）面和CeO2（100）面之间建立了四种界面结构（O-Ti Nb、O-CN、Ce-Ti Nb和Ce-CN）,其中O-Ti Nb界面的界面粘结功最大,为7.66J/m2,界面能最小;为-0.82J/m2。O-Ti Nb界面的键主要是共价键。因此,CeO2具备作为Ti3Nb CN3异质核心的条件且倾向于形成O终止异质形核界面。微观组织观察结果表明,添加CeO2的过共晶Fe-Cr-C-Ti-Nb-N堆焊合金中初生M7C3碳化物更细小且分布均匀。洛氏硬度由HRC60增加到HRC62。磨损率由4.65×10-6 mm3/N·m-1降为2.89×10-6 mm3/N·m-1,碳化物的开裂和剥落减少,耐磨性显著增强。
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