球形碳化钨增强钴基堆焊涂层低温耐磨性的学习体会

研究背景与技术需求

本文发表于《表面技术》2022年第51卷第2期，作者来自上海海事大学和广州航海学院，依托国家重点研发计划（2016YFB0300704）和多项基金支持。研究背景直指极地航运这一国家战略需求：随着北极航道和南极科考活动的日益频繁，船舶在-20°C甚至更低温度下服役的工况越来越普遍。低温环境下，钢材的韧性下降、冲击性能劣化，同时冰层摩擦和冰粒冲刷对船板造成严重磨损，传统的低温钢（如E32）在极端工况下的耐磨性能难以满足服役寿命要求。本文通过在E32低温钢表面堆焊球形碳化钨增强钴基涂层，探索低温环境下的表面强化方案，为极地船舶的焊补和延寿技术提供了试验依据。

涂层组织与增强相分析

本文采用等离子转移弧（PTA）堆焊技术在E32钢表面制备了三组不同碳化钨含量的钴基涂层，并通过XRD、SEM、EDS和3D光学轮廓仪等手段进行了系统表征。涂层中的主要增强相包括WC、W₂C以及Cr₂₃C₆、Cr₇C₃、Co₆W₆C和Fe₆W₆C等多种碳化物硬质相。

值得注意的是，球形碳化钨的选用是本研究的一个亮点。相比传统不规则形貌的WC颗粒，球形WC在堆焊熔池中更容易均匀分布，减少局部偏析和应力集中，同时球形颗粒在磨痕中的嵌入行为更为稳定，有利于降低三体磨粒磨损的严重程度。

低温摩擦磨损性能与机理

在50 N载荷、20 mm/s滑动速度、2 h干滑动摩擦的试验条件下，三组涂层相对于E32基体钢的摩擦系数和体积磨损率均有所下降，磨痕宽度和深度也显著减小。涂层低温耐磨性能随碳化钨含量的增大而提高，这一趋势符合硬质相增强的基本规律。

磨损机理随WC含量变化而演变：未添加WC的涂层主要磨损机理为磨粒磨损和粘着磨损；当WC质量分数达到30%和60%时，主要磨损机理转变为三体磨粒磨损。这一转变具有重要的工程意义：粘着磨损通常伴随材料转移和表面撕裂，损伤程度较重；而三体磨粒磨损主要是磨粒在接触面之间滚动或滑动造成的犁沟效应，虽然仍会导致材料损失，但损伤程度相对较轻，且磨痕更为规则。

从工程经济性角度分析，WC含量从30%增加到60%时，耐磨性能继续提升但边际收益递减，同时WC成本显著增加。在实际应用中，30% WC含量可能是性价比最优的选择，尤其对于船舶大面积焊补场景，成本控制至关重要。

工艺与质量控制要点

等离子转移弧堆焊在低温钢表面制备硬质涂层时，面临几个关键的质量控制挑战：

1. 稀释率控制：低温钢基体（E32）的碳当量较高，稀释率过高会导致涂层中硬质相含量下降，同时可能引入脆性组织。PTA堆焊的稀释率通常控制在5-15%之间，对于低温耐磨涂层，建议控制在10%以下。
2. 热输入管理：低温钢对热裂纹敏感，堆焊热输入过高可能导致热裂纹和晶间裂纹。应通过控制弧长、堆焊速度和电流密度来优化热输入。
3. 层间温度控制：多层堆焊时，层间温度过高会促进碳化物的溶解和粗化，降低硬质相的弥散强化效果。建议层间温度控制在150-250°C之间。
4. 残余应力控制：硬质相与基体的热膨胀系数差异会在冷却过程中产生残余拉应力，在低温环境下可能诱发微裂纹。可通过中间层设计或焊后热处理来缓解。

与工程实践的关联

在极地船舶的实际维修中，船板磨损区域往往形状不规则、面积较大，传统的整体更换方案成本高昂且工期长。PTA堆焊表面强化技术提供了一种局部修复、延长寿命的替代方案。但需要注意，堆焊涂层的厚度通常有限（一般1-5 mm），对于严重磨损区域可能需要多层堆焊或与其他修复技术（如激光熔覆、冷喷涂）结合使用。

此外，本文的试验条件为干滑动摩擦，而实际船舶在冰区航行时，接触面往往存在海水、冰屑和盐雾的混合介质，腐蚀-磨损协同效应可能显著改变磨损机理。建议在后续研究中引入海水环境下的摩擦磨损测试，以更准确地预测涂层在实际工况中的性能。

学习心得与启示

本文的研究为极地船舶低温耐磨修复提供了有价值的技术路线。球形WC增强钴基涂层在低温下表现出优异的耐磨性能，磨损机理从粘着磨损转变为三体磨粒磨损，表明涂层表面在摩擦过程中形成了较为稳定的保护结构。从技术推广角度看，30% WC含量可能是工程应用的推荐起点，兼顾了性能和经济性。对于从事海洋工程装备表面防护的同行而言，本文的增强相分析和磨损机理演变规律具有重要的参考价值，可为涂层配方设计和工艺参数优化提供理论指导。同时，也提示我们在实际应用中必须充分考虑腐蚀-磨损协同效应，避免仅凭干摩擦试验数据做出工程决策。