Ti对等离子堆焊Ni基Cr3C2涂层组织与性能影响研究学习体会

文献概况与研究背景

本文发表于2019年《材料科学与工艺》第27卷第3期，由安徽工业大学斯松华等作者完成。研究在Q235碳钢表面采用等离子堆焊技术制备了Ni50镍基合金涂层、Cr3C2/Ni复合涂层以及Ti/Cr3C2/Ni复合涂层，系统研究了添加Cr3C2及复合添加Cr3C2和Ti对涂层组织和耐磨性能的影响。该研究对于优化镍基耐磨涂层的性能具有重要的学术和工程价值。

材料体系与工艺设计

Ni50是一种经典的镍基自熔性合金，广泛应用于抗磨、抗腐蚀和抗高温工况。Cr3C2是一种高硬度碳化物，硬度可达2500-3000HV，是重要的耐磨强化相。Ti则是一种活性元素，具有细化晶粒和促进碳化物均匀分布的作用。

本研究采用了三种涂层的对比设计：

从数据可以看出，添加40%Cr3C2后硬度和耐磨性均有显著提升，而进一步添加1%Ti后耐磨性从1.4倍提升至2.1倍，提升幅度达50%。这说明Ti的添加对耐磨性的贡献是显著的。

组织演变与Ti的细化作用

三种涂层的组织特征差异明显：

• Ni50涂层：主要由γ-Ni枝晶组织及其间的共晶组织组成，这是典型的镍基合金凝固组织。
• Cr3C2/Ni涂层：主要由大量初生碳化物和细小枝晶组织组成，Cr3C2的添加引入了大量硬质相。
• Ti/Cr3C2/Ni涂层：碳化物尺寸减小且分布更均匀，组织明显细化。

Ti对碳化物的细化作用是本研究的核心发现。从凝固冶金学角度分析，Ti的细化机制可能包括：

1. 异质形核作用：Ti的加入可能形成了TiC或TiN等细小颗粒，为Cr3C2的形核提供了异质核心，降低了形核功。
2. 溶质拖曳效应：Ti原子在凝固前沿的溶质富集可以改变局部成分，影响碳化物的形核和长大动力学。
3. 枝晶破碎作用：Ti的加入可能改变了熔池的流动状态，促进了枝晶的破碎和等轴晶的形成。

耐磨性能提升的机理分析

Ti/Cr3C2/Ni涂层耐磨性提高2.1倍的结果，可以从以下机理进行解释：

硬质相的细化效应：细小的碳化物相比粗大的碳化物具有更高的比表面积，在磨粒磨损过程中能够更有效地抵抗磨粒的切削和犁沟作用。同时，细小的碳化物分布更均匀，避免了局部应力集中导致的脆性剥落。

基体组织的细化效应：Ti的加入使基体枝晶组织细化，细化后的基体具有更高的强度和更好的塑性，能够更好地承载硬质相并抵抗变形。

复合强化效应：细小的Cr3C2和TiC/TiN等硬质相与细化的γ-Ni基体形成"硬质相+韧性基体"的复合组织，在磨粒磨损过程中硬质相承担切削抗力，韧性基体承担变形和冲击载荷，两者协同工作实现优异的耐磨性。

工程应用价值与技术反思

从工程应用角度思考，该研究提供了以下有价值的启示：

第一，Ti作为微量添加元素（仅1%）即可显著提升耐磨性，说明微量合金化是优化涂层性能的有效手段。在实际生产中，Ti的添加成本较低，但性能提升效果显著，具有良好的性价比。

第二，等离子堆焊技术对于制备高质量镍基涂层具有独特优势。等离子弧的能量密度高、熔池小、稀释率低，有利于保持合金元素的原始配比，这对于Cr3C2等硬质相的保留至关重要。

第三，40%的Cr3C2添加量是一个关键工艺参数。过高的硬质相添加量可能导致熔池流动性变差、涂层开裂，而过低则无法获得足够的耐磨性。40%的添加量是在耐磨性和工艺性之间取得的平衡点。

第四，在实际应用中还需关注以下问题：涂层与Q235基体的稀释效应，因为等离子堆焊虽然稀释率较低，但仍存在一定程度的基体稀释；涂层的层间结合强度，多层堆焊时层间冶金结合质量直接影响涂层的整体性能；涂层在服役环境中的疲劳行为，特别是在循环载荷和温度交变条件下的裂纹萌生和扩展。

该研究为镍基耐磨涂层的优化设计提供了重要的实验依据，其"Cr3C2+Ti"复合添加的技术路线对于工程机械、矿山设备、电力设备等耐磨部件的表面强化具有重要的参考价值。