《Surface and Coatings Technology》：Integrated experimental–computational investigation of SiC particle-size effects on process–chemistry–microstructure relationships during TIG surface alloying of EH46 microalloyed steel
编辑推荐：
•用于TIG表面合金化的实验-计算一体化框架•SiC颗粒尺寸控制局部化学成分和相变。•热力学模型预测局部热点成分。•有限元仿真再现融合区几何形状和残余应力趋势。•建立了工艺-化学-微观结构-性能之间的关系引言表面工程已成为现代材料科学的基石之一，能够增强表面性能以满足工业应用
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用于TIG表面合金化的实验-计算一体化框架
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SiC颗粒尺寸控制局部化学成分和相变。
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热力学模型预测局部热点成分。
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有限元仿真再现融合区几何形状和残余应力趋势。
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建立了工艺-化学-微观结构-性能之间的关系
引言
表面工程已成为现代材料科学的基石之一，能够增强表面性能以满足工业应用的严苛要求。在土木工程、采矿和交通等领域，构件面临极端磨损、腐蚀和热应力，表面改性对于延长使用寿命和提高承载能力至关重要[1]。结构工程合金通常因其整体强度和韧性而被选用，但其表面特性（如耐磨性和耐腐蚀性）往往需要改进以满足特定应用需求[2]。传统涂层在某些情况下虽有效，但存在剥落或相容性问题，从而推动了表面合金化技术的发展。这些方法通过创建厚度≥1毫米的硬化表层来改变基体本身，最初通过激光表面工程实现[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]，最近则通过激光净成形（LENS）等增材制造技术实现[12]。然而，激光系统高昂的基础设施成本和复杂性促使人们对更具成本效益的替代方案产生兴趣，例如钨极惰性气体（TIG）加工[13]、[14]、[15]、[16]，该技术在具有较低运营成本的同时提供相当的表面改性能力。
从激光加工向TIG加工的转变反映了工业环境对可扩展、成本效益解决方案的需求。先驱性工作证明了将陶瓷（如碳化硅（SiC）[3]、[5]、[8]、[9]、碳化钛（TiC）[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、碳化钒（VC）[24]和碳化钽（TaC）[25]）掺入金属基体的可行性。例如，将TiC或WC颗粒激光堆焊到钢材表面，通过降低摩擦系数提高了耐磨性[3]、[5]、[8]、[9]、[10]。然而，激光的高资本成本和运营成本限制了其广泛应用。广泛用于焊接的TIG加工成为一种多用途的替代方案。通过改造TIG焊枪将陶瓷颗粒（尺寸1-100微米）注入熔融钢材表面，研究者在熔合区（MZ）实现了3-5倍的硬度提升，深度超过1毫米，且未产生裂纹或气孔[10]、[17]、[26]、[27]、[28]。例如，Patel等人[28]使用TIG将约5微米SiC颗粒溶解到微合金化（MA）钢中，通过细碳化物和硅化物的析出实现表面硬度>1000 HV。类似地，Buytoz[26]证明较大SiC颗粒（约75微米）的部分溶解增强了复合强化效果。这些研究强调了加工参数、能量输入（400-840 J/mm）、保护气体成分（氩气与氦气）以及陶瓷颗粒尺寸在定制微观结构和性能方面的作用。
钢材，特别是微合金化钢种，因其强度和韧性而备受推崇，但在磨蚀环境中往往缺乏足够的耐磨性。将SiC等陶瓷掺入钢材表面由于界面反应而面临独特挑战。例如，SiC与熔融铁反应生成铁硅化物（如Fe?Si、Fe?Si?）和富碳相[13]、[29]，需要对热循环进行精确控制以保留有益相。Terry和Chinyamakobvu[30]的早期研究揭示了SiC在液态钢中的快速溶解，而Pelleg[31]强调了金属基复合材料中基体-增强体相容性的重要性。激光表面工程最初主导了这一领域，Ayers等人[32]证明将TiC或WC颗粒注入激光熔区可降低摩擦系数并提高耐磨性。然而，TIG加工的出现使人们能够以较低成本实现类似效果。例如，Mridha和Ng[10]使用TIG将SiC掺入钛中，实现1400 HV的表面硬度，而Reddy等人[33]报告了低碳钢中硬度随硅含量线性增加的现象。
陶瓷溶解、相形成和冷却速率之间的相互作用决定了TIG加工表面的最终微观结构。在熔化过程中，SiC分解为硅和碳，它们扩散到钢基体中并在凝固过程中析出为硬相（如Fe?C、Fe?Si?）[26]、[27]、[29]。然而，快速热循环和异质微观结构引入残余应力。压应力可提高疲劳抗力，而拉应力可能促进裂纹萌生[34]。Mu?oz-Escalona等人[35]的最新研究表明，保护气体选择对应力分布有深远影响：氦气增加冷却速率，产生更细的微观结构但拉应力更高，而氩气则以较粗的析出物为代价降低残余应力。此外，大面积处理中常见的重叠TIG轨迹由于反复热循环而产生复杂的应力分布[15]。
为实现工业化应用，表面处理必须在性能与可制造性之间取得平衡。后处理表面粗糙度（Ra）至关重要，因为高能TIG输入产生的不规则表面可能需要机械加工，从而有去除硬化层的风险[36]。Patel等人[28]表明，溶解的细SiC颗粒与部分溶解的粗颗粒相比产生更光滑的表面。优化TIG参数以实现均匀微观结构和足够的硬化层深度（>1.4毫米）对采矿设备等领域至关重要，在这些领域中长期耐磨性是关键。
尽管TIG表面合金化已取得相当进展，但局部化学成分、相变、残余应力演变与微观结构发展之间的基本关系仍知之甚少。现有研究主要关注硬度和耐磨性能，而对SiC溶解对局部热力学、转变动力学以及由此产生的热-力学响应的影响关注有限。此外，能够将实验观察到的化学成分变化与相演变及残余应力发展联系起来的预测模型几乎未受到关注。因此，TIG表面合金化的优化在很大程度上仍是经验性的。计算材料工程（ICME）的最新进展提供了结合热力学计算、动力学仿真和有限元（FE）建模与实验观察以建立定量工艺-结构-性能关系的机会。热力学建模能够预测局部富集成分下的相稳定性和凝固行为，动力学仿真提供转变温度及热-力学FE分析所需的温度相关材料性能。结合实验验证，这些方法能够比单独实验表征提供更深入的见解。
本研究的目标是开发并实验验证一个描述EH46微合金化钢使用SiC颗粒进行TIG表面合金化过程中微观结构和残余应力演变的材料信息化一体化框架。该研究将详细的微观结构表征、硬度映射和残余应力测量与热力学计算、转变建模和热-力学FE仿真相结合。建立了代表基体材料、重熔层和局部热点区域的代表性化学成分，并用于量化局部碳和硅富集对相演变、转变行为和残余应力发展的影响。所建立的框架提供了一种基于物理的方法来预测和优化TIG表面工程过程。
章节摘要
材料与方法
本研究调查了使用SiC陶瓷颗粒进行基于TIG的表面改性/工程过程中微合金化钢微观结构的演变和残余应力的产生。本节介绍材料，描述表面处理过程以及用于微观结构、残余应力和硬度表征的技术和方法。
表面形貌和熔池几何形状
使用预置SiC粉末进行TIG表面合金化在EH46钢板表面产生连续的重熔轨迹。在5微米和75微米SiC条件下，TIG焊枪下方形成完全重熔区，周围是热影响区和未受影响的基体。重熔层表现出典型的熔合区（FZ）几何形状，横截面大致呈半球形，且具有清晰定义的结合边界。
使用5微米SiC颗粒产生的重熔区域相对均匀，
局部化学成分对凝固和相稳定性的影响
本研究的主要发现之一是，与SiC溶解相关的局部化学富集强烈影响重熔微观结构的演变，与施加的TIG热历史共同作用。尽管在整个研究中使用了相同的TIG参数，但SiC颗粒的溶解行为在碳和硅浓度中产生了显著的局部变化，特别是在75微米条件下。这些局部成分
结论
已开发了一种结合先进微观结构表征与热力学（OpenCalphad）、动力学（JMatPro）和热-力学有限元建模的实验-计算一体化框架，用于研究SiC颗粒尺寸对EH46微合金化钢TIG表面合金化过程中微观结构演变、硬度和残余应力发展的影响。该综合方法建立了定量的工艺-化学-结构-性能关系。
CRediT作者贡献声明
Salaheddin Rahimi：撰写-初稿、可视化、验证、资源、方法、调查、资金获取、形式分析、数据管理、概念化。Muhammad Amir Siddiq：撰写-审阅与编辑、可视化、软件、方法、形式分析、数据管理、概念化。Tatyana N. Konkova：撰写-审阅与编辑、指导、资源、方法、调查、概念化。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
Salaheddin Rahimi|Muhammad Amir Siddiq|Tatyana N. Konkova|Thomas N. Baker
