等离子弧堆焊WC增强镍基堆焊层组织及耐磨性学习体会

文献概况与研究价值

本文发表于《热加工工艺》2023年第52卷第17期，由沈阳市检验检测中心刘治宇和沈阳工业大学刘政军、王振宇、刘峥等作者完成。论文以Q235钢板为基体，采用等离子堆焊工艺制备了不同WC（碳化钨）添加量的镍基合金堆焊层，系统研究了WC含量对堆焊层物相组成、微观组织、维氏硬度和耐磨性的影响规律。

WC增强镍基合金是工业中应用最为广泛的耐磨堆焊材料之一，广泛应用于矿山机械、水泥设备、电力设备和石油化工领域的耐磨部件。WC作为超硬相（硬度约2400 HV），在镍基合金基体中起到显著的强化作用。然而，WC添加量并非越多越好，过量的WC会导致堆焊层出现裂纹和剥层缺陷，因此确定最佳的WC添加量具有重要的工程意义。

物相组成与微观组织分析

不同WC含量下的物相组成

研究表明，添加不同含量WC后，堆焊层的物相组成包括：γ-Ni（镍基固溶体）、M23C6（富铬碳化物）、M6C（富钨碳化物）、Cr7C3（铬的碳化物）、WC（碳化钨）、W2C（碳化钨的低碳相）以及FeNi3（铁镍金属间化合物）。这些物相的相对含量和分布随WC添加量的变化而改变。

在低WC含量时，堆焊层中的碳化钨主要以溶解在γ-Ni基体中的形式存在，游离WC颗粒较少。随着WC添加量的增加，游离WC颗粒增多，同时形成更多的碳化物相。当WC添加量达到30wt%时，堆焊层中部的共晶组织开始由片层状向块状发生转变，这一组织转变是WC含量影响堆焊层性能的关键节点。

组织转变的机理分析

片层状共晶组织向块状组织的转变，可以从凝固动力学角度来理解。片层状共晶组织是在较高的凝固速率下形成的，两相以规则的片层交替排列。当WC添加量增加时，熔池中的WC颗粒作为异质形核核心，改变了凝固过程中的形核和生长行为，降低了凝固速率，使得共晶组织从片层状向块状转变。

块状组织相比片层状组织，具有更少的相界面面积，有利于减少应力集中点，从而提高堆焊层的韧性和抗剥层能力。这一发现对于理解WC添加量与堆焊层性能之间的关系具有重要的理论意义。

硬度与耐磨性分析

硬度分布特征

当WC添加量为30wt%时，堆焊层的维氏硬度分布较为稳定，平均值为767.2 HV0.5。这一硬度水平表明，30wt%的WC添加量在强化效果和工艺性能之间取得了良好的平衡。WC含量过低时，强化效果不足；WC含量过高时，虽然硬度可能进一步升高，但硬度分布不均匀，且容易出现裂纹和剥层缺陷。

磨损机理分析

室温下堆焊层的磨损机理都以剥层磨损为主。剥层磨损是指堆焊层表面在摩擦作用下，应力集中导致局部材料剥离脱落的过程。30wt%WC添加量的堆焊层表现出最小的剥层破坏，这与其硬度分布稳定和组织均匀性密切相关。

剥层磨损的起始通常源于堆焊层表面的微裂纹扩展。当WC添加量过高时，硬质相与基体之间的热膨胀系数差异导致界面应力增大，微裂纹更容易萌生和扩展，从而加剧剥层磨损。30wt%的WC含量恰好处于强化效果与界面完整性之间的最佳平衡点。

与工程实践的结合

在管道耐磨涂层中的应用

在石油天然气行业的输送管道中，含有固体颗粒的介质（如含砂天然气、矿浆）会对管道内壁造成严重的磨蚀。WC增强镍基合金堆焊层是管道内壁耐磨修复的理想选择。根据本文的研究结论，30wt%的WC添加量是获得最佳耐磨性能的最佳选择。

在实际应用中，管道内壁的堆焊修复需要注意以下工艺要点：

• 堆焊层厚度控制：内壁堆焊层厚度通常为2-5mm，过厚会导致残余应力过大，过薄则耐磨寿命不足。
• 堆焊层平整度：内壁堆焊层的表面粗糙度应控制在Ra 12.5μm以下，以减少对管道内介质流动的干扰。
• 层间温度控制：多层堆焊时，层间温度应控制在200-300℃之间，以保证层间结合质量。

质量控制与检测方法

学习心得与启示

本文通过系统的WC含量梯度试验，清晰地揭示了WC添加量对镍基合金堆焊层组织和性能的影响规律。30wt%的WC添加量作为最佳配方，在硬度、耐磨性和组织均匀性之间取得了良好的平衡。这一研究结论对于工程实践中WC增强镍基堆焊层的配方设计和工艺优化具有重要的参考价值。在实际生产中，建议根据具体的磨损工况和使用寿命要求，合理选择WC添加量，并通过金相分析和耐磨试验验证堆焊层质量。同时，应充分认识到，堆焊层的耐磨性能不仅取决于材料配方，还与堆焊工艺参数、堆焊层厚度和堆焊道次等因素密切相关，需要综合考虑。