电流对等离子堆焊Fe90组织与性能的影响——文献学习体会

文献概况与研究背景

本文由大连理工大学邓德伟、刘海英等人联合沈阳鼓风机集团股份有限公司研究院发表于2017年《材料热处理学报》第38卷第7期，属于国家973项目等资助项目。研究背景源于大型鼓风机关键部件（如叶轮、导叶等）表面耐磨耐蚀性能提升的迫切需求。Fe90是一种自熔性合金粉末，具有高硬度、高耐磨性和良好的耐蚀性，通过等离子堆焊技术可以在304L不锈钢基体表面形成高性能的堆焊层。本文系统研究了焊接电流对Fe90堆焊层组织与性能的影响规律和作用机理。

核心观点与技术要点

堆焊层组织特征

Fe90堆焊层组织由马氏体、(Cr,Fe)7C3、CrFeB、CrB与Fe3Si组成。这种多相组织是Fe90合金粉末在等离子弧高温熔池条件下快速凝固的结果。马氏体提供了基体的强度和硬度，而碳化物、硼化物和硅化物则作为弥散强化相进一步提升了堆焊层的综合性能。

电流对组织与性能的影响规律

研究结果表明，焊接电流为130A时，堆焊层的硬度最高，耐磨性最佳。电流过小会导致熔敷量不足、稀释率过高，堆焊层性能下降；电流过大则可能导致熔池过热、晶粒粗化和元素烧损，同样不利于性能的提升。130A作为最优电流值，反映了熔敷量、稀释率和凝固速率之间的最佳平衡点。

关键性能参数对比

电流影响的机理分析

焊接电流对等离子堆焊层组织和性能的影响主要通过以下途径实现：

第一，电流直接影响熔池温度和体积。电流增大，熔池温度升高，熔池体积增大，导致稀释率上升，堆焊层中Fe90合金元素含量下降，从而影响碳化物、硼化物等强化相的析出量和形态。

第二，电流影响凝固速率。较大的电流意味着更大的熔池和更慢的冷却速率，这可能导致晶粒粗化和强化相的粗化，降低堆焊层的弥散强化效果。

第三，电流影响合金元素的烧损。Fe90合金中含有B、Si等易烧损元素，电流过大可能导致这些元素的蒸发损失，影响CrB、Fe3Si等强化相的形成。

130A作为最优电流值，恰好处于熔敷量充足、稀释率适中、凝固速率合理、元素烧损可控的平衡区间，因此获得了最佳的硬度和耐磨性能。

工程实践中的工艺优化思考

在实际等离子堆焊生产中，电流的选择只是工艺参数优化的一部分，还需要综合考虑送粉速度、焊接速度、气体流量和气体种类等参数。本文的研究为电流参数的确定提供了明确的实验依据，但在实际应用中仍需注意以下几点：

对于大型鼓风机叶轮的堆焊修复，通常需要多层堆焊，每一层的电流和送粉速度可能需要根据层间温度、稀释率和堆焊层厚度进行动态调整。此外，Fe90堆焊层虽然耐磨性显著提升，但耐蚀性基本不变，这意味着对于同时要求耐磨和耐蚀的工况，可能需要考虑其他合金体系或采用多层复合堆焊策略。

本文的研究体现了"工艺参数-微观组织-使用性能"三者之间的内在联系，对于从事等离子堆焊工艺开发的同行具有重要的参考价值。在实际生产中，应通过系统的工艺试验确定最优参数窗口，并建立工艺参数与堆焊层性能之间的定量关系模型，以提高生产的一致性和可靠性。