等离子堆焊双送粉制备Ni60A/WC复合涂层组织与性能学习体会

文献概况与研究价值

本文发表于《金属热处理》2025年第50卷第10期，由武汉理工大学材料科学与工程学院的马朝阳等五位作者完成，受国家自然科学基金（51475346）资助。该研究针对等离子弧堆焊（PTA）中硬质相颗粒分布不均匀这一行业共性难题，创新性地提出了双送粉技术路线，在H13热作模具钢上制备了Ni60A/WC复合涂层。这一研究方向对于提升热作模具、耐磨衬里及高温工况部件的使用寿命具有重要的工程价值。

核心技术要点解读

双送粉系统的设计原理

双送粉系统的核心思想是将Ni60A基体粉末通过内置送粉通道（常规等离子堆焊方式）送入熔池，同时将WC硬质相粉末通过外置送粉通道独立送入熔池表面。这种分离送粉的设计避免了WC粉末在送粉管中长时间受热而导致的分解和氧化问题。从传热传质角度分析，外置WC粉末在到达熔池表面时温度较低，能够更好地保持其颗粒完整性，从而在熔池中实现更均匀的分布。

WC送粉量对涂层性能的影响规律

作者系统研究了不同外置WC送粉量对涂层性能的影响，得出了以下关键规律：

WC外送粉量	WC颗粒分布	涂层硬度	热疲劳裂纹	综合评价
<6 g/min	不均匀，局部富集	较低	较少	耐磨性不足
6~8 g/min	均匀分布	较高	中等	性能优良
8 g/min	均匀分布	高	中等偏多	最佳平衡点
>8 g/min	均匀但过密	最高	明显增加	脆性增大

这一规律揭示了WC含量与涂层性能之间的非线性关系。WC含量过低时，硬质相不足以提供有效的耐磨强化；WC含量过高时，虽然硬度提升，但WC颗粒之间的应力集中加剧，热疲劳裂纹显著增加，涂层的整体可靠性反而下降。8 g/min的WC送粉量被确定为最佳工艺窗口，此时涂层在硬度、WC分布均匀性和热疲劳抗力之间取得了最优平衡。

物相组成与微观组织

XRD分析表明，双送粉和单送粉制备的涂层物相组成一致，均为γ-(Fe,Ni)固溶体、Cr₇C₃、Cr₂₃C₆、Cr₃C₂和Cr₄Ni₁₅W。这一结果说明WC粉末在熔池中发生了充分的冶金反应，W和C元素分别与Ni、Cr、Fe结合形成了新的碳化物和金属间化合物。值得注意的是，WC原始颗粒在高温熔池中完全分解，其W和C元素重新分配，这一过程虽然降低了WC的原始硬度贡献，但形成的Cr₇C₃（HV1800~2000）和Cr₂₃C₆（HV1500~1800）同样具有极高的硬度，且与基体的冶金结合更为牢固。

热疲劳裂纹的起源与扩展

热疲劳试验结果表明，裂纹主要集中于熔合线和WC颗粒周围。从断裂力学角度分析，熔合线处是涂层与基体的冶金界面，由于Ni60A与H13钢的热膨胀系数差异（Ni60A约为13.5×10⁻⁶/℃，H13约为12.5×10⁻⁶/℃），在热循环过程中界面处产生周期性热应力，导致疲劳裂纹萌生。WC颗粒周围的裂纹则源于WC与基体之间的热膨胀系数不匹配以及WC颗粒本身的脆性特征。

工程实践应用分析

热作模具的修复与强化

H13钢是典型的热作模具钢，广泛应用于压铸模具、热挤压模具和锻模。在实际服役中，模具表面承受高温（400~600 ℃）、高压（100~300 MPa）和频繁热循环的复合载荷，极易出现热疲劳裂纹、热磨损和热腐蚀等失效模式。采用Ni60A/WC复合涂层对模具表面进行强化，可以显著提高模具的使用寿命。

在实际应用中，需要特别注意以下几点：

模具基体表面的预处理至关重要，应采用喷砂或机械抛光去除氧化皮和脱碳层，确保涂层与基体的冶金结合。
堆焊前预热温度应控制在200~300 ℃，以减小热应力和防止基体开裂。
多层堆焊时，层间温度应控制在150~200 ℃，避免过高的层间温度导致WC的过度氧化。
堆焊后建议进行去应力退火（600~650 ℃，保温2~4 h），以消除堆焊残余应力。

与管道耐磨内衬的关联

虽然本文研究对象为H13模具钢，但Ni60A/WC复合涂层技术同样适用于管道内壁耐磨衬里的制备。在石油天然气管道、煤矿排渣管道和水泥输送管道中，Ni60A/WC涂层可以提供优异的耐磨性和耐蚀性。特别是对于含有固体颗粒的高速流体冲刷工况，WC硬质相的有效分布是保证涂层耐磨性的关键。

关键疑问与技术反思

双送粉系统的工程化挑战

虽然双送粉技术在实验室条件下表现出色，但在工程化应用中仍面临若干挑战。首先是设备复杂度的增加——双送粉系统需要两套独立的送粉机构和控制系统，设备成本和操作复杂度显著增加。其次是送粉同步性——内置Ni60A送粉与外置WC送粉需要精确同步，否则会导致局部WC含量波动。此外，外置送粉路径较长，粉末在输送过程中容易受气流影响而偏离预定位置，影响WC的分布均匀性。

涂层与基体的长期可靠性

本文的热疲劳试验虽然揭示了裂纹的产生规律，但试验条件与实际服役工况仍存在差异。在实际模具应用中，涂层不仅承受热循环载荷，还承受机械冲击、化学腐蚀和高压接触等多种复合载荷。WC颗粒在长期服役过程中可能因热循环导致的界面弱化而发生脱落，这是涂层失效的主要模式之一。未来需要开展更长时间、更接近实际工况的加速寿命试验，以评估涂层的长期可靠性。

经济性分析

从经济性角度来看，双送粉系统相比传统单送粉系统的成本增加主要包括：设备投资增加（约30%~50%）、WC粉末消耗增加、操作培训成本增加等。然而，涂层使用寿命的提升（可能达到2~3倍）可以显著降低模具更换频率和停机损失。对于高价值模具或长周期服役部件，双送粉技术的经济性优势是明显的。但对于低价值、短寿命的模具，传统单送粉技术可能更具成本效益。

学习心得与展望

本文的创新之处在于通过双送粉技术解决了WC颗粒分布不均匀这一困扰行业多年的难题。这一思路体现了"分离控制、协同优化"的工程哲学——将基体粉末和硬质相粉末的送粉过程分离，分别优化各自的送粉条件，最终在熔池中实现协同作用。这种思维方法对于其他复合涂层体系（如CoCr/WC、NiCrSiB/WC等）的制备同样具有借鉴意义。

从行业发展趋势来看，随着增材制造技术的快速发展，选择性激光熔化（SLM）和激光熔覆技术正在逐步替代传统等离子堆焊。但等离子堆焊在大型工件修复和现场施工方面仍具有不可替代的优势。双送粉技术的提出，为等离子堆焊这一传统工艺注入了新的活力，也表明传统焊接技术通过创新改进仍然具有广阔的发展空间。