旋耕刀Fe/WC/CeO2等离子堆焊层制备及其组织性能——文献学习体会

文献概况与研究意义

本文发表于《农业工程学报》2021年第37卷第24期，作者团队来自河北农业大学机电工程学院、河北省智慧农业装备技术创新中心、河北省农业机械作业刀具重点实验室以及山东旭拓新材料科技有限公司，受国家重点研发计划资助。文献采用等离子堆焊技术在Q235钢基材上制备了Fe/WC/CeO2金属陶瓷复合涂层，系统研究了CeO2添加量对涂层组织、性能和作用机理的影响，并通过正交试验优化了堆焊工艺参数。

农业触土部件（如旋耕刀、犁铧、深松铲等）在作业过程中长期承受土壤磨粒的严重磨损和冲击载荷，传统材料（如65Mn）的耐磨性和抗冲击性能难以满足作业需求，导致刀具寿命短、更换频繁，严重影响作业效率和经济性。等离子堆焊金属陶瓷复合涂层技术通过在基材表面制备高硬度、高耐磨的硬质相层，是一种有效的表面强化手段。CeO2作为稀土氧化物添加剂，其在堆焊层中的作用机理和效果尚不十分明确，该研究对此进行了系统探索。

等离子堆焊工艺与参数优化

正交试验与最优参数

文献以堆焊电流、堆焊速度、送粉速率、堆焊距离为试验因素，磨损量为评价指标，通过正交试验优化了Fe/WC/CeO2等离子堆焊层的制备工艺参数：

正交试验法是一种高效的参数优化方法，通过较少的试验次数即可获得最优参数组合。在本研究中，磨损量作为评价指标的选择非常合理，因为耐磨性是旋耕刀涂层的核心性能要求。正交试验的结果还揭示了各因素对耐磨性的影响主次关系，为工艺优化提供了定量依据。

等离子堆焊的工艺特点

等离子弧堆焊（Plasma Arc Surfacing）是一种高效、高质的表面强化技术，其工艺特点包括：

1. 热输入集中：等离子弧温度高达10000~30000 K，能量密度高，熔池体积小，稀释率低。
2. 熔池保护良好：等离子弧的刚性束流特性使得熔池受大气污染小，堆焊层纯净度高。
3. 工艺参数可控性强：通过调节电流、弧压、送粉量等参数，可以精确控制堆焊层的成分和组织。
4. 适用于硬质相制备：高能量密度有利于WC等硬质相的均匀分布和原位合成。

与常规电弧堆焊相比，等离子堆焊在制备金属陶瓷复合涂层方面具有明显优势，能够实现更均匀的硬质相分布和更低的稀释率。

堆焊层组织与性能分析

显微组织特征

文献利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）和能谱仪（EDS）对堆焊层显微组织和物相组成进行了系统分析：

堆焊层微观形貌呈现鱼骨状、长杆状、球状、六方形状等多样化组织形态。这种多样化的组织形态反映了等离子堆焊过程中熔池的复杂凝固行为——快速冷却条件下，不同物相的形核和生长动力学差异导致了多样化的晶体形态。

CeO2添加效果对比

CeO2作为稀土氧化物添加剂，其对堆焊层性能的影响是本文的核心发现之一：

CeO2的添加同时提升了硬度和冲击韧性，这一"强韧化"效果在材料科学中是较为难得的现象。通常，硬度和韧性之间存在相互制约关系，而CeO2的添加却实现了两者的协同提升。这一现象的机理可能与以下因素有关：

1. CeO2对碳化物的细化作用：CeO2作为异质形核核心，促进了硬质碳化物的均匀形核，细化了碳化物颗粒尺寸，从而在提高硬度的同时改善了韧性。
2. CeO2对基体组织的改性：稀土元素Ce的加入可能改变了基体组织的形态和分布，改善了组织的均匀性和连续性。
3. CeO2对熔池流动性的影响：CeO2可能改善了熔池的流动性，减少了堆焊层的偏析和缺陷。

耐磨与耐蚀性能

与65Mn旋耕刀相比，Fe/WC/CeO2堆焊层旋耕刀的磨损量大幅降低（71%和65%），表明等离子堆焊金属陶瓷复合涂层对农业触土部件的强化效果极为显著。与Fe/WC堆焊层相比，添加CeO2后磨损量进一步降低17%和15%，证实了CeO2的强化贡献。

土槽试验和田间试验的双重验证使得研究结论更加可靠。土槽试验提供了可控条件下的定量数据，田间试验则验证了实际工况下的适用性。两种试验结果的一致性表明，Fe/WC/CeO2堆焊层具有良好的工程应用价值。

工程应用中的关键问题与对策

堆焊层与基体的冶金结合

堆焊层与基体的冶金结合质量是决定涂层寿命的关键因素。文献指出堆焊层与基体呈良好的冶金结合，这意味着在堆焊过程中实现了充分的熔合，没有产生未熔合、裂纹等界面缺陷。

在实际工程中，冶金结合质量的保证需要关注以下方面：

1. 基材表面预处理：堆焊前必须彻底清除基材表面的氧化皮、油污、锈蚀等，确保熔池与基材的清洁接触。
2. 预热温度的控制：Q235钢的预热温度一般控制在100~150℃，过低会导致冷裂纹，过高则可能影响基材组织。
3. 熔池浸润性：等离子弧的能量密度和堆焊参数需要优化，确保熔池对基材的良好浸润。

硬质相的均匀分布

WC等硬质相在堆焊层中的分布均匀性直接影响耐磨性能的稳定性。如果硬质相分布不均匀，则会出现局部耐磨性差、应力集中等问题，导致涂层早期失效。

CeO2对硬质相分布均匀性的改善作用体现在：

• 作为异质形核核心，促进WC的均匀形核。
• 细化碳化物颗粒，避免大颗粒碳化物的聚集。
• 改善熔池流动性，促进硬质相的均匀分布。

冲击韧性的工程意义

旋耕刀在作业过程中经常承受突发性冲击载荷（如碰到石块、树根等），冲击韧性是决定刀具抗冲击断裂能力的关键指标。Fe/WC/CeO2堆焊层冲击韧性提升29%，意味着刀具在遇到意外冲击时不易发生脆性断裂，这对于延长刀具使用寿命、提高作业安全性具有重要价值。

学习心得与工程启示

通过研读该文献，我对稀土元素在等离子堆焊中的应用有了更深入的认识。CeO2作为稀土氧化物添加剂，在Fe/WC堆焊层中发挥了"强韧化"的协同作用，这一发现对于金属陶瓷复合涂层的性能优化具有重要的指导意义。

从工艺角度看，正交试验法的应用体现了科学试验设计在工艺优化中的重要性。通过系统的参数优化，可以获得最优的工艺窗口，这对于等离子堆焊这类多参数耦合的工艺尤为重要。

从工程应用角度看，该研究为农业触土部件的表面强化提供了新的技术路线。Fe/WC/CeO2堆焊层旋耕刀相比传统65Mn旋耕刀，磨损量降低超过65%，使用寿命显著提升。这一成果对于降低农业装备的使用成本、提高作业效率具有重要的经济价值。

此外，该研究的技术路线还可以推广到其他金属陶瓷复合涂层领域，如工程机械的履带板、挖掘机的斗齿、水泥磨的辊面等，具有广阔的工程应用前景。稀土元素在焊接冶金中的改性作用是一个值得深入研究的课题，未来在更多合金体系中探索稀土元素的应用效果，有望开发出更多高性能的堆焊材料。