等离子弧堆焊WC增强镍基堆焊层的组织及耐磨性研究学习体会

文献概况

本文发表于2023年《热加工工艺》第52卷第17期，由沈阳市检验检测中心刘治宇与沈阳工业大学材料科学与工程学院王振宇等三位作者共同完成。研究采用等离子弧堆焊（PAW）工艺，在Q235钢板上制备了不同WC添加量（质量分数）的镍基合金堆焊层，系统研究了WC含量对堆焊层物相、微观组织、维氏硬度和耐磨性的影响规律。

核心发现与数据总结

本文的核心发现是：WC添加量对镍基堆焊层的组织和性能存在显著影响，且存在一个最佳添加量窗口。

WC添加量	主要物相	平均硬度（HV0.5）	室温磨损失重（mg）	共晶组织形态
0 wt%	γ-Ni, M23C6, M6C, Cr7C3, FeNi3	基准值	基准值	片层状
15 wt%	增加WC, W2C	较高	较低	片层状
30 wt%	WC, W2C显著增加	767.2	3.9（最小）	块状（转变临界）
45 wt%	WC, W2C大量存在	可能更高	可能增加	块状

当WC添加量为30wt%时，堆焊层中部共晶组织开始由片层状向块状转变，硬度分布最为稳定，室温磨损失重最小，磨损层破坏程度最轻。

物相演变与组织分析

镍基合金堆焊层的物相组成

镍基合金堆焊层的物相组成是决定其性能的关键因素。本文检测到的物相包括。

γ-Ni：基体相，提供塑性和韧性。
M23C6：铬碳化物，在晶界析出，提供一定的耐磨性但可能降低韧性。
M6C：混合碳化物，硬度较高。
Cr7C3：铬的渗碳体型碳化物，硬度高但脆性大。
WC：钨碳化物，硬度极高（约1500-2000 HV），是主要的耐磨强化相。
W2C：钨碳化物，硬度略低于WC。
FeNi3：金属间化合物，提供一定的强度。

WC含量对组织的影响机制

WC作为高硬度增强相，其添加量直接影响堆焊层的强化效果。然而，WC的添加并非越多越好，原因在于。

WC的溶解与分解：在等离子弧堆焊的高温熔池中，WC会发生部分溶解和分解。WC的溶解度随温度升高而增大，当熔池温度超过WC的固溶极限温度时，WC会分解为W和C，分别参与形成其他碳化物（如M6C、M23C6等）。
共晶组织的转变：WC含量增加会改变共晶反应的类型和共晶组织的形态。当WC含量达到临界值（约30wt%）时，共晶组织从片层状向块状转变，这种块状组织具有更均匀的硬度分布和更好的抗剥层磨损能力。
脆性相的累积：过高的WC含量可能导致脆性碳化物过度聚集，降低堆焊层的整体韧性，增加裂纹敏感性。

耐磨机理分析

磨损机理的微观分析

本文指出，室温下堆焊层的磨损机理都以剥层磨损（Delamination Wear）为主。剥层磨损是指在摩擦过程中，表面材料以层状或片状的形式从基体上剥离，形成磨屑。这种磨损模式通常与以下因素有关。

表面硬度的梯度分布：如果表面硬度高于心部硬度，在摩擦力的作用下，表面材料容易以层状形式剥落。
碳化物的形态和分布：片层状碳化物容易沿层间界面发生剥离，而块状碳化物由于与基体的结合面积更大，抗剥层能力更强。
残余应力状态：堆焊层中的残余拉应力会促进表面裂纹的萌生和扩展，加速剥层磨损。

30wt% WC添加量的堆焊层具有最小的剥层破坏，这与其块状共晶组织和稳定的硬度分布密切相关。块状碳化物与基体之间的结合界面更加复杂，不易形成连续的剥离路径，从而有效抑制了剥层磨损的发生。

硬度与耐磨性的关系

从数据来看，30wt% WC添加量的堆焊层硬度为767.2 HV0.5，磨损失重最小。这表明在该WC含量下，硬度与耐磨性达到了最佳匹配。然而，硬度并非耐磨性的唯一决定因素，碳化物的形态、分布、与基体的结合强度等微观因素同样重要。

工艺参数与质量控制

等离子弧堆焊工艺要点

等离子弧堆焊是一种高能量密度的堆焊方法，具有以下特点。

工艺特点	优势	注意事项
能量密度高	熔深大，稀释率低	需精确控制热输入
电弧稳定性好	成形质量高	设备成本较高
熔池流动性好	有利于粉末均匀分布	需注意粉末送进速度
氧化性较强	有利于脱氧	需添加适量脱氧剂

质量控制要点

在实际生产中，等离子弧堆焊WC增强镍基堆焊层的质量控制需要注意以下方面。

粉末配比控制：WC粉末的粒度、纯度和添加量需要精确控制。WC粉末的粒度应控制在50-150μm范围内，过粗的颗粒可能导致局部过热和未完全熔合，过细的颗粒则容易被气流吹散。
焊接参数优化：焊接电流、电压、焊接速度、送粉量等参数需要根据WC含量进行匹配优化。WC含量增加时，可能需要适当提高焊接电流以保证WC的充分熔合。
多层堆焊的热循环控制：多层堆焊时，后续焊道的热循环会对前序焊道产生再热影响，可能导致WC的过度溶解或碳化物的粗化。需要控制层间温度在合理范围内（通常不超过300°C）。
无损检测：堆焊层应进行MT（磁粉检测）或PT（渗透检测），检查表面和近表面裂纹、气孔等缺陷。对于关键部件，还应进行UT（超声检测）检查内部缺陷。

关键疑问与思考

学习本文后，我有以下几点思考。

第一，关于WC含量与耐磨性的非线性关系。本文数据显示30wt% WC时耐磨性最佳，但WC含量超过30wt%后的耐磨性变化趋势并未详细讨论。从材料学原理推断，WC含量过高可能导致以下问题：脆性增加、裂纹敏感性升高、加工硬化能力下降。这些不利因素可能在磨损初期被高硬度掩盖，但在长期服役中逐渐显现。建议后续研究开展长周期磨损试验，评估高WC含量堆焊层的长期耐磨行为。

第二，关于WC颗粒的熔合状态。在等离子弧堆焊过程中，WC颗粒的熔合状态直接影响堆焊层的性能。完全熔化的WC会形成均匀的固溶体和碳化物，而未完全熔化的WC颗粒则作为硬质相存在于基体中。这两种状态的WC对耐磨性的贡献机制不同：完全熔化的WC通过固溶强化和碳化物强化提供耐磨性，而未熔化的WC颗粒则通过物理阻挡和犁沟效应提供耐磨性。实际堆焊层中WC的熔合状态可能是两者的混合态，其比例取决于焊接热输入和WC颗粒的尺寸。

第三，关于堆焊层与基体的界面结合。本文以Q235钢板为基体材料，但实际工程中镍基堆焊层的应用对象可能是高温合金、不锈钢或钛合金等不同基体。不同基体与镍基堆焊层的界面反应、热膨胀系数匹配性和冶金结合状态会有显著差异，这些差异会影响堆焊层的服役性能。建议在工艺开发阶段，针对具体基体材料进行界面结合性能评估。

学习心得与启示

本文的研究对于WC增强镍基堆焊层的工艺开发具有重要的指导价值。核心启示在于：WC添加量的选择需要在耐磨性、韧性和加工性能之间寻找最佳平衡点。30wt% WC含量是一个值得参考的工艺窗口，但实际应用中需要根据具体工况（如磨损类型、载荷大小、温度条件等）进行适当调整。

对于从事耐磨堆焊技术工作的技术人员而言，理解WC含量-组织-性能之间的关联机制，有助于在工艺开发阶段做出合理决策。同时，本文也提醒我们，堆焊层的耐磨性不仅取决于硬度，更取决于碳化物的形态、分布和与基体的结合状态。在工艺优化过程中，应综合考虑这些因素，避免单纯追求高硬度而忽视组织的均匀性和界面的结合质量。