等离子弧堆焊铁基合金加碳化钨复合堆焊层的学习体会

文献概况与技术背景

本文出自哈尔滨焊接研究所赵昆、王红英、程志国、董祖珏与抚顺石化中油检修维护有限责任公司王春义合作，在《焊接学报》2002年第23卷第3期发表，由黑龙江省科技厅攻关项目资助。研究利用新研制的外送碳化钨等离子弧焊枪系统，对F321铁基合金粉末和机械破碎的碳化钨硬质合金颗粒进行了堆焊，成功获得了铁基合金加碳化钨硬质合金的复合堆焊层。

复合堆焊层技术是表面强化领域的重要方向，其核心思想是将两种或多种具有不同性能的材料通过堆焊工艺复合在一起，利用各组分材料的优势，获得单一材料难以达到的综合性能。铁基合金具有良好的熔敷性能和与基体的结合强度，碳化钨硬质合金具有极高的硬度和耐磨性，两者复合可以兼顾结合强度和耐磨性能。然而，碳化钨颗粒的加入也带来了新的技术挑战，如颗粒的均匀分布、与基体的结合质量、颗粒的完整性保持等。该研究针对这些挑战提出了创新的工艺解决方案，具有重要的技术创新价值。

工艺参数与复合堆焊层组织分析

外送碳化钨等离子弧焊枪系统

该研究的关键技术创新在于研制了外送碳化钨等离子弧焊枪系统。传统的等离子弧堆焊工艺中，硬质合金颗粒通常与粉末混合后一同送入，这种方式容易导致颗粒在送粉过程中发生偏析、堵塞或破碎，影响堆焊层的均匀性。外送系统通过将碳化钨颗粒单独送入熔池，实现了对颗粒添加量和分布的精确控制，是获得高质量复合堆焊层的关键设备创新。

工艺参数优化

复合堆焊层的制备需要精确控制以下关键工艺参数：

复合堆焊层组织特征

通过SEM、XRD等分析手段，研究揭示了复合堆焊层的组织特征：

1. 胎体组织

复合堆焊层的胎体组织为马氏体加残余奥氏体加共晶（马氏体加碳化物）。这一组织特征表明，F321铁基合金粉末在等离子弧的高温作用下充分熔化，形成了高碳马氏体组织。残余奥氏体的存在有利于提高堆焊层的韧性，减少脆性断裂的风险。共晶组织中的碳化物提供了额外的耐磨相。

2. 碳化钨颗粒状态

碳化钨颗粒在堆焊层中分布均匀，质量分数可达40%至42%。更重要的是，颗粒的硬度值仍保持了原有的高硬度，颗粒表层重熔量小，合金元素扩散率低。这一结果说明外送送粉系统有效地控制了颗粒的熔化程度，避免了过度熔化和元素扩散导致的性能下降。

3. 颗粒与胎体界面

碳化钨颗粒周围存在鱼骨状共晶组织，但该共晶未扩散到胎体马氏体中。这一界面特征具有重要的工程意义：鱼骨状共晶在颗粒周围形成了过渡层，改善了颗粒与胎体之间的应力传递，同时避免了共晶的过度扩散导致的整体脆化。

缺陷分析与质量控制

孔隙缺陷分析

文献对堆焊层的平均孔隙缺陷率进行了测算，结果为碳化钨合金颗粒平均孔隙缺陷率低于1.5%。这一数据在复合堆焊层领域属于较好水平，说明工艺参数控制得当，熔池保护良好。

孔隙缺陷的产生原因主要包括：

1. 熔池保护不良：保护气体流量不足或分布不均匀，导致熔池表面氧化和气体卷入。
2. 粉末受潮：F321粉末或碳化钨颗粒表面吸附水分，在熔池中分解产生氢气。
3. 颗粒表面夹杂：碳化钨颗粒表面可能存在的氧化膜或杂质在熔化过程中产生气体。
4. 熔池流动性不足：铁基合金的流动性相对较差，气泡难以逸出。

裂纹缺陷分析

复合堆焊层中的裂纹主要分为两类：

热裂纹：主要发生在颗粒与胎体界面或共晶组织中，与低熔点共晶的凝固收缩有关。预防措施包括优化成分设计、控制冷却速度、添加脱硫剂降低硫含量等。

冷裂纹：与氢脆和残余应力有关。碳化钨颗粒的导热系数与铁基合金差异较大，在冷却过程中产生较大的热应力，可能导致冷裂纹。预防措施包括控制熔池温度、采用预热和后热处理、优化颗粒粒度等。

质量控制要点

为确保复合堆焊层的质量，需要建立以下质量控制体系：

• 原材料检验：对F321粉末和碳化钨颗粒进行成分分析、粒度检测和含水量测试。
• 过程监控：在线监测等离子弧参数、送粉量和焊接速度，确保工艺参数的稳定性。
• 成品检验：对堆焊层进行外观检查、硬度测试、金相分析和无损检测（MT或PT）。
• 性能验证：定期进行耐磨试验和力学性能测试，验证堆焊层的综合性能。

工程应用前景与思考

应用领域

铁基合金加碳化钨复合堆焊层具有广泛的应用前景，主要应用于以下领域：

1. 石油钻杆：钻杆接头承受严重的磨粒磨损和冲击载荷，复合堆焊层可以提供优异的耐磨性和抗冲击性。
2. 矿山机械：挖掘机斗齿、破碎机衬板等部件承受高磨粒磨损，复合堆焊层可以显著延长使用寿命。
3. 电力设备：磨煤机衬板、风机叶片等部件需要耐磨和耐冲击，复合堆焊层是有效的强化手段。
4. 化工设备：阀门密封面、泵叶轮等部件需要耐磨和耐腐蚀，复合堆焊层可以提供综合性能。

技术挑战与发展方向

尽管该研究取得了重要进展，但复合堆焊层技术仍面临以下挑战：

1. 颗粒含量与韧性的平衡：碳化钨颗粒含量越高，耐磨性越好，但韧性越差。如何在高耐磨性和足够韧性之间取得平衡，是一个需要持续优化的问题。
2. 大厚度堆焊层的均匀性：对于需要较大堆焊厚度的工况，多层堆焊时颗粒分布的均匀性控制难度增加。
3. 复杂形状工件的堆焊：对于形状复杂的工件，等离子弧堆焊的可达性和均匀性控制存在挑战。
4. 成本效益分析：外送碳化钨等离子弧焊枪系统的设备成本较高，需要在性能提升和成本增加之间进行经济性评估。

个人思考

从焊接冶金的角度看，该研究的创新之处在于对碳化钨颗粒熔化行为的精确控制。在传统的混合送粉方式中，颗粒与粉末同时进入熔池，颗粒的熔化程度难以控制，容易出现过度熔化或不完全熔化的问题。外送系统通过独立的送粉通道，实现了对颗粒添加量和熔化程度的精确控制，这是获得高质量复合堆焊层的关键。

此外，文献中提到的"颗粒周围鱼骨状共晶没有扩散到胎体马氏体中"这一发现具有重要的冶金学意义。共晶组织的扩散会导致整体组织的脆化，而通过工艺控制阻止共晶扩散，可以有效避免这一问题。这提示我们，在复合堆焊层的设计中，不仅要关注各组分的性能，更要关注组分之间的界面冶金反应，通过工艺控制优化界面状态，从而实现性能的最大化。

学习心得与总结

本文是复合堆焊层技术领域的一篇重要文献，其技术创新和工程应用价值都值得技术人员深入学习和借鉴。外送碳化钨等离子弧焊枪系统的研制，解决了传统混合送粉方式中颗粒控制困难的问题，为复合堆焊层的批量生产提供了可行的工艺方案。在实际工程应用中，技术人员应根据具体工况需求，合理选择复合堆焊层的成分设计和工艺参数，通过系统的试验验证和质量控制，实现堆焊层性能的最优化。同时，该研究也提示我们，焊接工艺的创新往往需要设备、材料和工艺的多方面协同，单一环节的改进往往难以取得突破性的效果。在技术创新的道路上，系统思维和跨学科合作是取得成功的关键。