等离子堆焊双送粉制备Ni60A/WC复合涂层的组织与性能学习体会

文献概况与技术背景

本文发表于《金属热处理》2025年第10期，由武汉理工大学马朝阳等五位作者完成，获国家自然科学基金（51475346）资助。研究将外置送粉系统与等离子堆焊设备相结合，建立双送粉通道，在H13钢基体上制备Ni60A/WC复合涂层，并与内置单送粉涂层进行对比。通过微观形貌观察、XRD分析、显微硬度和热疲劳测试对涂层进行了全面评估。该研究对于高温模具、热端部件及耐磨耐腐蚀复合涂层的制备具有重要的工程指导意义。

双送粉工艺特点与WC分布控制

双送粉通道设计

双送粉系统的核心创新在于将外置WC送粉通道与内置Ni60A基体送粉通道分离，实现两种粉末的独立控制。外置送粉量在6 g/min以上时，WC颗粒在涂层中均匀分布。这一发现表明，WC颗粒的均匀分布需要足够的送粉量来克服熔池湍流的分散作用。在工程实践中，双送粉系统的设计需要充分考虑粉末流动特性、喷嘴结构和熔池动力学，确保两种粉末在熔池中充分混合而不发生偏析。

与单送粉涂层的对比

双送粉制备的涂层硬度比单送粉高，且随着WC外送粉量的增加，硬度也随之提高。这是因为双送粉系统中WC颗粒在熔池中的停留时间更短，被稀释的程度更低，保留了更多的高硬度WC硬质相。相比之下，单送粉系统中WC与Ni60A在送粉过程中即发生混合，WC颗粒在高温熔池中长时间停留，导致大量WC分解并被稀释。

物相分析与热疲劳行为

物相组成

采用两种方式制备的涂层物相均为γ-(Fe,Ni)固溶体、Cr₇C₃、Cr₂₃C₆、Cr₃C₂和Cr₄Ni₁₅W。值得注意的是，WC颗粒在熔池中并未完全保留其原始形态，而是发生了部分分解和反应，形成了含钨的复杂碳化物Cr₄Ni₁₅W。这一物相的硬度极高，是涂层耐磨性的重要贡献者。Cr₂₃C₆和Cr₇C₃作为铬碳化物，不仅提供硬度，还赋予涂层一定的耐蚀性，这对于油气输送管道内壁的耐磨耐蚀复合涂层具有重要参考价值。

热疲劳裂纹分析

两种方式制备的涂层在热疲劳试验后均有裂纹产生，热疲劳裂纹集中于涂层的熔合线及WC颗粒周围，随着WC外送粉量的增加，涂层中出现的裂纹随之增加。这一现象的机理在于：WC颗粒与Ni60A基体之间的热膨胀系数差异较大，在热循环载荷下产生应力集中；熔合线处由于稀释效应和冶金结合特性，是应力集中和裂纹萌生的薄弱区域。WC含量过高时，硬质相体积分数增大，裂纹萌生和扩展的驱动力增强。

工艺优化与工程应用思考

从工程应用的角度来看，双送粉量8 g/min时涂层整体性能最佳，这一结论为工艺参数选择提供了明确的指导。在实际生产中，需要综合考虑以下因素。

• WC送粉量的选择：8 g/min是性能最优的平衡点，但需根据具体工况调整。对于以耐磨为主的工况，可适当提高WC含量；对于以耐蚀为主的工况，则需降低WC含量以减少裂纹倾向。
• 熔合线控制：熔合线是涂层的薄弱环节，建议采用多层堆焊工艺，控制第一道焊道的熔深，减少基体稀释。
• 热疲劳应对：对于承受热循环载荷的部件，可在涂层表面进行微裂纹控制处理，如采用超声冲击或激光重熔等后处理工艺。
• 送粉系统维护：外置送粉系统需要定期清理送粉管道，防止粉末结块和堵塞，确保送粉稳定性。

学习心得与启示

本文的研究方法严谨，通过系统对比双送粉与单送粉两种工艺，揭示了WC颗粒分布规律与涂层性能之间的关系。双送粉技术为Ni60A/WC复合涂层的制备提供了一种新的工艺途径，其核心优势在于能够独立控制WC颗粒的分布状态，避免传统单送粉工艺中WC过度稀释的问题。

对于钢管和管道制造行业而言，Ni60A/WC复合涂层在管道内壁耐磨耐蚀堆焊中具有广阔的应用前景。特别是在油气输送管道、化工管道和耐磨管道中，双送粉等离子堆焊技术有望替代传统的单送粉工艺，提供更优的涂层性能。但需要注意的是，双送粉系统的设备复杂度和维护成本高于单送粉系统，在工程推广中需要权衡技术优势与经济成本。