球形碳化钨增强钴基堆焊涂层的组织及低温耐磨性学习体会

文献概况与研究意义

本文出自石亮等人在《表面技术》2022年第51卷第2期发表的论文，受国家重点研发计划（2016YFB0300704）、国家自然科学基金（52071091）及浦东新区科技项目（PKJ2019-C03）资助，由上海海事大学海洋科学与工程学院与广州航海学院联合完成。研究针对极地特殊船板焊补延寿需求，采用等离子转移弧（Plasma Transfer Arc，PTA）堆焊技术在低温钢E32表面制备球形碳化钨（WC）增强的钴基涂层，系统研究了WC含量对涂层组织、硬度及-20℃低温摩擦磨损性能的影响规律。

极地船舶是近年来海洋工程装备领域的热点方向，随着北极航道商业化运营的推进，极地船体结构在-40℃至-20℃低温环境下的抗冲击、抗磨损性能成为关键设计指标。E32钢作为典型的低温船板用钢，其基体硬度与耐磨性在低温条件下有所下降，通过表面堆焊强化是经济有效的延寿手段。本文的研究为极地船板表面强化技术提供了重要的试验数据。

涂层组织与相分析

通过X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）及能谱分析仪（EDS）等表征手段，对三组不同WC含量的钴基涂层进行了系统的微观组织分析。涂层中富含WC、W₂C增强相以及Cr₂₃C₆、Cr₇C₃、Co₆W₆C和Fe₆W₆C等碳化物硬质相。这些硬质相的弥散分布显著提升了涂层的微观硬度与耐磨性。

从相组成变化规律来看，WC含量的增加直接导致WC和W₂C相的衍射强度增强，同时促进了Co₆W₆C和Fe₆W₆C等复杂碳化物的形成。这些相的硬度普遍高于基体合金，对涂层的耐磨性贡献显著。值得注意的是，球形WC颗粒相较于不规则形状的WC颗粒，在熔池中更易均匀分布，减少局部应力集中，有利于提高涂层的韧性。

低温摩擦磨损性能与机理

在载荷50 N、滑动速度20 mm/s、干滑动摩擦条件下，经2小时磨损试验后，三组涂层较E32基体钢的摩擦系数和体积磨损率均有所下降，磨痕宽度和深度均减小。磨损机理随WC含量变化呈现明显的演变规律：未添加WC的涂层以磨粒磨损和粘着磨损为主，当WC含量达到30%和60%时，主要磨损机理转变为三体磨粒磨损。

三体磨粒磨损的出现表明硬质WC颗粒在摩擦过程中起到了一定的"磨粒"作用，将磨屑从摩擦界面剥离，减少了基体的直接接触面积。这一机理与传统的"硬质相增强耐磨性"理论一致，但需要关注的是，过量的硬质相可能增加涂层脆性，在冲击载荷下产生微裂纹扩展风险。对于极地船板而言，服役环境中的冰载荷冲击是不可忽视的载荷形式，因此涂层韧性同样需要关注。

工艺参数与质量控制要点

等离子转移弧堆焊工艺的核心参数包括转移弧电流、弧压、送粉速度、堆焊速度和气体流量等。在WC增强的钴基涂层制备中，还需特别关注以下工艺要点：

• 熔池温度控制：WC熔点高达2870℃，在常规PTA工艺中难以完全熔化，但过度熔池温度会导致WC分解生成W₂C，影响增强效果。
• 稀释率控制：钴基合金与低碳钢基体的稀释率应控制在合理范围内，过高稀释率会降低涂层硬度与耐磨性。
• 多层堆焊策略：对于较厚的强化层，建议采用多层多道堆焊，每层之间进行适当的热处理或应力消除处理。

从FMEA（失效模式与影响分析）角度评估，涂层在极地环境中的潜在失效模式包括：低温脆性断裂、冰载荷冲击导致的涂层剥落、海水腐蚀引起的涂层失效以及循环载荷下的疲劳裂纹扩展。在工艺制定阶段应针对这些失效模式采取相应的预防措施。

工程应用价值与展望

本文的研究成果为极地特殊船板的焊补延寿技术提供了直接的试验依据。在实际工程中，钴基合金涂层因其优异的耐腐蚀性和耐磨性，已广泛应用于海洋工程装备的表面强化，如螺旋桨、阀件、泵壳等。球形WC增强钴基涂层的引入，进一步提升了涂层在低温条件下的耐磨性能，这对于极地船体结构在冰区航行中的抗磨损设计具有重要参考价值。

一个值得关注的工程问题是：WC含量并非越高越好。60% WC含量的涂层虽然耐磨性最优，但其韧性、加工性及与基体的结合强度可能有所下降。在实际应用中，需要根据具体服役条件在耐磨性与韧性之间寻求最佳平衡点。此外，本文仅在-20℃条件下开展了磨损试验，对于更低温（如-40℃、-60℃）条件下的涂层性能仍需进一步研究。总体而言，本文在球形WC增强钴基涂层的组织-性能关系研究方面做出了有价值的贡献，对推进极地装备表面强化技术的发展具有积极的学术与工程意义。