固溶时效对等离子堆焊WCp/18Ni300钢复合涂层组织与性能的影响——文献学习体会

文献概况与研究方法

胡永俊等（2020）在《焊接学报》上发表的研究，采用等离子堆焊技术在Cr5钢表面制备WC增强18Ni300钢（马氏体时效钢）复合涂层，系统研究了添加25%和35%球形WC颗粒对堆焊层组织与性能的影响，并对比了固溶（900°C×1 h）和时效（490°C×5 h）处理前后的显微组织、相变过程、显微硬度和摩擦磨损性能。该研究由广东省科学院实施创新驱动发展能力建设专项资金和广东省科技项目资助，体现了产学研结合的科研模式。

组织演变与相变机理

18Ni300钢是一种典型的马氏体时效钢，其核心特点是室温下具有高强度（屈服强度可达1600~1800 MPa），且在490°C时效处理后可进一步析出Ni3Mo和Ni3Ti等纳米级强化相，使强度进一步提升。在等离子堆焊过程中，由于快速凝固效应，堆焊层组织以奥氏体（γ）为主，这与18Ni300钢在正常热处理状态下的马氏体组织形成鲜明对比。

添加WC颗粒后，堆焊层的组织演变呈现出独特的规律。WC/MS300复合堆焊涂层的显微组织主要以奥氏体为主，这与基体试样（纯MS300粉末堆焊）不同。固溶时效热处理后，基体试样的硬度和耐磨性反而下降，而WC/MS300试样中发生了γ→α-Fe转变，硬度和耐磨性显著改善。这一现象的机理在于：WC颗粒在固溶时效过程中促进了γ→α-Fe相变的形核，加速了马氏体转变进程，同时WC颗粒周围形成了厚的扩散层，显著改善了WC颗粒与基体之间的界面结合。

WC颗粒周围扩散层的形成是本研究的重要发现。在900°C固溶处理过程中，WC颗粒中的W和C元素向基体扩散，形成富W富C的扩散层，这一扩散层不仅提高了界面结合强度，还改变了局部成分，促进了γ→α-Fe相变的形核。35% WC添加量的试样耐磨性能最佳，说明WC颗粒的弥散强化效应和界面扩散层的双重作用在35%含量时达到最优平衡。

等离子堆焊工艺特点与参数控制

等离子弧堆焊（Plasma Arc Surfacing）利用压缩等离子弧作为热源，具有电弧能量密度高、熔池温度高、稀释率低、堆焊层成分均匀等优点。与碳弧堆焊相比，等离子堆焊的热输入更集中、可控性更强，更适合精密堆焊和薄层堆焊。对于WC/MS300复合涂层的制备，等离子堆焊的另一个优势是能够快速凝固WC颗粒周围的熔池，减少WC颗粒的溶解和分解，保持WC颗粒的完整性。

WC颗粒在等离子堆焊过程中面临的主要挑战是高温溶解。WC在液态铁中的溶解度随温度升高而增大，当熔池温度超过1300°C时，WC颗粒会显著溶解，导致碳化物含量降低，同时溶解的W和C元素会改变熔池成分。球形WC颗粒相比不规则WC颗粒具有更高的热稳定性和更低的溶解速率，这是本研究中选用球形WC的原因。此外，WC颗粒的尺寸分布也影响堆焊层的性能，过细的WC颗粒容易完全溶解，过粗的WC颗粒则可能导致应力集中和裂纹。

学习心得与工程启示

这篇文献给我最大的启示是：复合材料涂层的性能调控需要"双管齐下"——既要通过成分设计优化基体与增强相的匹配，又要通过热处理工艺激发相变强化效应。WC/MS300复合涂层在未经热处理时，由于等离子堆焊的快速凝固效应，组织以奥氏体为主，硬度和耐磨性并不突出。而经过固溶时效处理后，WC颗粒促进了γ→α-Fe相变，使组织转变为高硬度的马氏体加WC颗粒的复合结构，耐磨性大幅提升。这一发现对于实际工程中WC增强马氏体时效钢涂层的工艺优化具有重要指导意义：等离子堆焊后的固溶时效处理不是可选项，而是必选项。建议在实际生产中，将900°C×1 h固溶加490°C×5 h时效作为WC/MS300复合涂层的标准后处理工艺，WC添加量推荐采用35%以获得最佳耐磨性能。同时，WC颗粒的球形化和尺寸控制也是保证涂层质量的关键工艺要素。