过共晶Fe-Cr-C合金初生碳化物细化机制及其稀土相微结构的研究

The composition of the hypereutectic Fe-Cr-C alloy will be designed by Calphad in this work. By means of hardfacing method, the hypereutectic Fe-Cr-C alloy system with refined M7C3 promary carbides will be developed and RE oxides will be added into it. The effects of the structure, dimension and addition of RE oxides on M7C3 promary carbide in the hypereutectic Fe-Cr-C alloy will be investigated and the refinement mechanism will be discussed. The possible approach of RE elements entering into the lattice of hypereutectic Fe-Cr-C alloy and M7C3 primary carbide will be predicted by First Principle Method and the sulution law of RE elements in the alloy system will be provided. The RE compounds in the hypereutectic Fe-Cr-C alloy will be analyzed by combining alloy thermodynamics calculation and experiment. The effectiveness of RE compounds acting as heterogeneous nuclei of the primary M7C3 carbide in the hypereutectic Fe-Cr-C alloy will be investigated, which can provide new ideals and theoretic foundation for developing the hypereutectic Fe-Cr-C alloy with high performance.

本项目拟采用相图计算对过共晶Fe-Cr-C合金成分进行优化设计，并借助于堆焊方法引入多种稀土氧化物，制备含有均匀分布的细晶M7C3型初生碳化物相的过共晶Fe-Cr-C合金体系，系统研究稀土氧化物的形态（类型、粒度和加入量）对合金中M7C3型初生碳化物的细化机制；采用第一性原理预测稀土元素进入过共晶Fe-Cr-C合金及M7C3型初生碳化物晶体的可能途径，给出稀土元素在合金体系中的固溶规律；应用合金热力学计算与材料组织组成分析相结合的方法，分析过共晶Fe-Cr-C合金组织中稀土化合物形态，研究其促进合金中M7C3型初生碳化物非自发形核的有效性，为制备高性能过共晶Fe-Cr-C合金提供新思路和理论依据。

Fe-Cr-C合金含有大量的M (M=Cr, Fe)7C3型碳化物，具有较好的耐磨性。然而，传统Fe-Cr-C合金中碳化物较为粗大，致使该合金脆性较大，碳化物易剥落，限制了该合金在堆焊领域的广泛应用。. 本项目自行制备了自保护Fe-Cr-C堆焊药芯焊丝，分析该堆焊合金组织—性能演变规律的基础上，进行合金成分设计和焊丝配方改进，通过加入稀土氧化物CeO2、La2O3和Y2O3，研究Fe-Cr-C堆焊合金中M7C3型碳化物的形状、尺寸和分布，制备出耐磨性优异的Fe-Cr-C堆焊层。同时，通过Bramfitt二维点阵错配度理论和第一性原理计算，对M7C3异质核心的非均质形核问题进行理论分析，探讨稀土夹杂物（化合物）诱发M7C3碳化物异质形核的可能性，解释了M7C3碳化物的细化机理。. 本项目通过计算Fe-Cr-C合金堆焊层金属中稀土夹杂物（化合物）与M7C3型初生碳化物之间错配的关系，分析了稀土夹杂物（化合物）做为Fe-Cr-C合金堆焊层金属初生碳化物非自发形核核心的有效性，建立了稀土夹杂物（化合物）类型与M7C3型初生碳化物之间的细化关系，给出了Fe-Cr-C合金堆焊层金属的成分、组织与其耐磨性的关系。. 本项目在《Scientific Report》、《Applied Surface Science》、《Materials Letters》、《Materials Science & Engineering A》、《Materials and Design》、《Surface & Coatings Technology》、《Journal of Materials Research》、《Welding Journal》、《Wear》等国际刊物发表学术论文33篇，其中被SCI收录26篇，EI收录3篇；授权中国发明专利6项；培养博士研究生4人、硕士研究生9人。. 本项目研究不仅为提高Fe-Cr-C合金堆焊层金属表面耐磨性奠定基础，而且也为其它钢铁材料进行堆焊修复与绿色再制造提供新思路和理论依据。