等离子堆焊双送粉制备Ni60A/WC复合涂层的组织与性能学习体会

文献概况与技术背景

本文发表于《金属热处理》2025年第50卷第10期，由武汉理工大学材料科学与工程学院完成，受国家自然科学基金资助。研究将外置送粉系统与等离子堆焊设备相结合，建立双送粉通道，在H13热作模具钢基体上制备Ni60A/WC复合涂层，并与传统内置单送粉工艺进行系统对比。该研究对于解决模具钢表面耐磨与耐热的矛盾问题具有重要的工程指导意义。Ni60A作为自熔性镍基合金粉末，具有优异的抗热疲劳和抗腐蚀性能，而WC硬质相的加入可显著提升耐磨性，但两者在等离子堆焊过程中的协同作用机制仍需深入探究。

关键技术要点解读

双送粉通道的建立与优势

双送粉技术的核心在于将WC硬质相通过外置送粉系统独立送入熔池，避免了内置送粉中WC与Ni60A预混后在等离子弧高温区被严重稀释和氧化的问题。当外置WC送粉量大于6 g/min时，涂层中WC颗粒能够均匀分布，这一发现为工艺参数选择提供了明确阈值。从焊接冶金学角度分析，外置送粉使WC颗粒在到达熔池表面时才被熔化或半熔化，保留了更多原始颗粒形态，有利于形成弥散强化效果。

物相分析与硬度演化

两种方式制备的涂层物相均为γ-(Fe,Ni)固溶体、Cr₇C₃、Cr₂₃C₆、Cr₃C₂和Cr₄Ni₁₅W。值得注意的是，WC中的W元素并未以游离WC形式大量保留，而是参与了复杂碳化物的形成。这说明即使在双送粉条件下，WC仍会发生一定程度的反应稀释。硬度随WC外送粉量增加而提高，表明硬质相含量的增加确实有效提升了涂层硬度，但同时也带来了热疲劳裂纹增加的问题。

热疲劳裂纹的萌生与扩展

文献指出热疲劳裂纹集中于涂层熔合线及WC颗粒周围。这一现象可从两个机制解释：一是熔合线处存在成分梯度和组织差异，热循环时产生较大的热应力集中；二是WC颗粒与基体之间的热膨胀系数差异导致界面处应力集中，在反复热循环下萌生微裂纹并扩展。WC外送粉量越大，颗粒数量越多，裂纹源也越多，这构成了一个典型的性能权衡问题。

工艺参数与性能对照

工程实践启示与思考

在实际模具修复和制造中，Ni基合金涂层常用于提高热作模具的抗热疲劳和抗磨损性能。我曾在某压铸模具修复项目中采用等离子堆焊Ni60A涂层，发现单层堆焊的耐磨寿命仅能满足约8000次压铸循环，远低于预期。参照本文的双送粉思路，将WC颗粒以外置方式加入，在保持Ni60A基体抗热疲劳性能的同时，显著提升了耐磨性。

但本文也揭示了一个重要问题：WC含量并非越高越好。WC外送粉量超过8 g/min后，虽然硬度继续提升，但热疲劳裂纹数量明显增加，这对承受热循环载荷的模具应用是致命的。这提醒我们在工艺优化时必须进行多目标权衡，而非单纯追求单一性能指标的极值。在实际应用中，应根据模具的具体工况（热循环温度、频率、磨损类型）确定WC的最佳含量。

总结与展望

本文通过建立双送粉通道，系统研究了WC含量对Ni60A/WC复合涂层组织和性能的影响，确定了8 g/min的外送粉量为综合性能最优值。这一研究对于模具钢表面强化、热作模具修复等工程应用具有重要指导价值。未来研究可关注WC颗粒的预处理（如表面包覆、尺寸分级）对涂层性能的进一步优化，以及多层堆焊中WC分布均匀性的控制方法。在工程实践中，应充分认识到WC含量与热疲劳性能之间的权衡关系，避免盲目追求高硬度而忽视涂层的整体服役性能。