激光堆焊单道Co基合金与WC混合粉末的性能研究——文献学习体会

文献概况与研究背景

本文由沈阳工业大学材料科学与工程学院与沈阳新松机器人自动化股份有限公司合作完成，发表于2014年《激光技术》第38卷第1期。激光堆焊技术因其高能量密度、小热影响区、精确的成分控制等优势，在表面工程领域得到广泛应用。Co基合金因其优异的耐磨性、耐蚀性和高温性能，是重要的堆焊材料。碳化钨（WC）作为硬质相，可以进一步提高堆焊层的耐磨性，但WC含量过高可能导致裂纹敏感性增大。本文系统研究了Co基合金与WC混合粉末在激光堆焊中的性能演变规律。

核心技术要点解读

试验设计与工艺参数

作者采用CO2激光堆焊系统，将Co基合金与WC混合粉末（WC质量分数为0～0.47）单道堆焊于低碳钢表面。WC含量设置为0～47%的范围，覆盖了从纯Co基合金到高WC含量混合粉末的完整区间，这种梯度设计有利于揭示WC含量对堆焊层性能的定量影响规律。

相结构与显微组织分析

研究结果表明，堆焊层均为亚共晶组织，且未分解WC弥散分散在Co基合金基体上。这一发现具有重要的工程意义。亚共晶组织意味着WC颗粒均匀分布在Co基合金的基体中，形成了良好的强化相-基体协同结构。未分解WC的存在表明激光堆焊的快速凝固特性有效地保留了WC硬质相，避免了高温下WC分解为W和C的化学反应。

硬度与耐磨性

堆焊层的维氏硬度随WC含量增加而增加，这一趋势符合预期。WC作为超硬相（硬度约2400 HV），其含量增加直接提高了堆焊层的整体硬度。然而，硬度的提高并不意味着耐磨性的线性增加。在实际工况中，耐磨性还受到组织韧性、裂纹扩展阻力等因素的影响。

裂纹敏感性

作者特别关注了裂纹敏感性的变化。结果表明该方法具有较低的裂纹敏感性。这一结论对于工程应用至关重要，因为裂纹是激光堆焊中最常见的质量缺陷之一。裂纹敏感性低的原因可能包括：

• 激光堆焊的快速凝固特性降低了凝固裂纹的产生概率
• Co基合金具有良好的热裂纹抗力
• WC颗粒的弥散分布对裂纹扩展起到阻碍作用

与钢管管件表面工程的关联

在钢管和管件制造中，表面强化处理是提升使用寿命的重要手段。例如，管线管（pipe line tube）在输送含固体颗粒的介质时，内壁磨损是一个关键失效模式。激光堆焊Co基合金+WC混合粉末可以作为内壁耐磨修复的有效方案。

在管件制造中的应用前景

对于弯头、三通等管件，其内表面在介质流动中承受冲刷磨损。特别是在油气输送管道中，含砂介质的冲刷磨损严重威胁管件的使用寿命。激光堆焊耐磨层可以在管件内表面形成高硬度、耐磨的防护层，显著延长管件的使用寿命。

工艺参数优化要点

从工程实践角度，激光堆焊Co基合金+WC混合粉末的工艺优化需要关注以下要点：

关键疑问与深入思考

学习本文后，我有以下几点需要进一步探讨的问题。

第一，关于WC含量上限的确定。本文WC含量最高为47%，这一上限的确定依据是什么？是受限于送粉系统的均匀性，还是受限于堆焊层的裂纹敏感性？在实际应用中，如果WC含量继续增加，堆焊层的脆性是否会显著增大？这需要在更宽的WC含量范围内进行系统研究。

第二，关于单道堆焊与多层堆焊的差异。本文仅研究了单道堆焊，但实际工程中通常需要多层堆焊以达到足够的覆盖厚度。多层堆焊过程中，层间热输入累积、组织演变和残余应力叠加等问题都会影响最终性能。特别是层间温度对WC颗粒的稳定性影响，需要进一步研究。

第三，关于WC颗粒的尺寸效应。本文未明确提及WC颗粒的尺寸分布，但WC颗粒尺寸对堆焊层的耐磨性和裂纹敏感性有显著影响。粗大WC颗粒可能成为裂纹源，而细小WC颗粒则有利于提高硬度和耐磨性。在实际应用中，需要严格控制WC颗粒的尺寸和分布。

第四，关于堆焊层与基体的结合质量。激光堆焊的熔深通常较浅，堆焊层与基体的结合主要依靠冶金结合。在低碳钢基体上堆焊Co基合金时，由于两者热膨胀系数差异较大，冷却过程中会在界面处产生较大的残余应力，可能导致界面剥离。需要通过合理的工艺参数和焊后热处理来控制界面残余应力。

学习心得与启示

本文系统揭示了WC含量对Co基合金激光堆焊层性能的影响规律，为耐磨堆焊材料的配方设计提供了重要参考。对于钢管管件制造行业，激光堆焊耐磨层技术可以应用于以下场景：管线管内壁耐磨修复、弯头三通等管件内壁耐磨处理、阀门密封面耐磨修复等。

从技术发展的角度看，激光堆焊技术正在向"增材制造"方向发展。本文提到的沈阳新松机器人作为合作单位，正是国内增材制造领域的领军企业。未来，激光堆焊与增材制造技术的融合将推动表面工程向更高精度、更高效率、更复杂结构的方向发展。对于钢管管件制造行业而言，掌握激光堆焊耐磨层技术，将有助于提升产品竞争力，满足高端市场的需求。