【拟解决的关键科学问题】 在基于硼化物制备高硼铁基堆焊合金材料相关生产研究中，无裂纹、高温磨损性能优异的高硼铁基堆焊合金材料很难获得，合金化方法确实是一种很好的手段。初步的研究已经表明本项目提出方法的可行性，如下几个关键科学问题和技术问题还需要解决： (1).硼化物硬质相的形成规律：本文研究高硼低碳铁基堆焊合金材料，其合金元素对硬质相的凝固过程、形态、分布及体积分数的影响差别很大，有待于仔细研究，该结果将有助于丰富硼化物硬质相的形成规律的理解。 (2).合金元素的交互作用对硬质相形成的影响：采用合金化工艺的主要目的是通过调控合金中的主要元素：C、B及其它合金元素Cr、Mo、Ｖ、W等，以此得到良好基体及相应硬质相体积的高硼铁基合金。合金元素的交互作用会对硬质相的形成产生影响。这个交互作用的影响是增强还是弱化硬质相的性能？原因是什么？这些问题解答对于我们理解合金化的作用具有重要指导。 (3).堆焊层的应力释放问题。高硼铁基合金易产生显微裂纹、宏观裂纹，而导致断裂和剥落。虽然这一个经典的话题，但是在合金化下的抑制裂纹形成规律将是怎样？有待于进一步研究。 【研究方法】 (1).Fe2B硬质相热稳定性分析 利用耦合电弧热丝TIG堆焊方法制备低碳、中碳、高碳高硼铁基堆焊合金材料，采用GSL-1300X高温管式热处理炉进行热稳定性试验，加热温度为800℃，氧化时间为3h，10h，20h，40h，80h。对焊态和热处理后的样品进行以下相关分析：氧化动力学分析、XRD?分析、SEM?分析、TEM分析，对氧化后的合金组织形貌进行分析，对氧化动力学曲线进行拟合分析，得到氧化动力学方程，从而预测合金的使用寿命。 (2).硬质相的DFT的计算 基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理研究硼化物、碳化物的热力学性质及力学性质。通过超软鹰势(USPPS )来表示价电子与离子实之间的相互作用。在硼化物、碳化物的热力学性质及力学性质计算时，平面波的最大截止能选为450 eV。第一布里渊区k点的选择使用Monkhorst-Pack方法，k点的取值都为10×10×10。在对晶体进行优化过程中时，总能量的变化到最终收敛到1 ×10-6 eV，与此同时每个原子力降低到0.01 eV/；通过生成焓和力学模量估算硬质性的热稳定性和力学性能，对后续的合金体系、含量的设计做出实际指导。 (3).低碳高硼铁基耐磨合金材料的成分设计、制备及优化 以Fe-B-C系合金为基系，采用正交设计法（3因素3水平），变量分别Cr、V、Mo，以铬铁、钒铁、钼铁形式往金属粉芯中添加，按设计要求称取合金粉，烘干，混合均匀，然后装入低碳钢钢带，拉拔为直径为1.6mm焊丝，盘丝，形成低碳高硼高温耐磨堆焊金属粉芯焊丝。利用耦合电弧热丝TIG堆焊制备合金材料，采用逐步回归分析法得到Cr、V、Mo合金元素含量与堆焊合金材料高温磨损性能之间的数学模型，优化合金体配方。 (4).采用耦合电弧热丝TIG堆焊制备的低碳高硼铁基堆焊合金材料，研究常温状态下磨损机理和性能：以Q235钢为基体金属，采用己优化的焊接工艺参数制备复合涂层，研究在Q235钢表面进行熔覆处理后堆焊合金材料的常温磨损行为和组织性能变化规律，分析常温状态下磨损机理。 (5). 采用耦合电弧热丝TIG堆焊制备的低碳高硼铁基堆焊合金材料，研究高温状态下磨损机理和性能：以Q235钢为基体材料，采用己优化的工艺参数组合制备复合涂层，研究在Q235钢表面进行熔覆处理后堆焊合金材料的高温磨损行为，并以高碳高铬堆焊合金材料为比较对象，分析低碳高硼堆焊合金材料的高温摩擦磨损机理及应用前景。

佳木斯大学

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