卓金管件有限公司火焰喷焊与等离子堆焊制备Ni60及Ni60-WC涂层对比研究学习体会
文献概况
该文献由东南大学材料科学与工程学院李朋洋等发表于《机械工程材料》2017年第10期，系统对比了火焰喷焊与等离子堆焊两种工艺制备Ni60及Ni60-WC涂层的显微组织、物相组成、硬度和耐磨性能。该研究由江苏省重大成果转化专项资金资助，具有较强的工程应用导向性。
两种工艺的本质差异
火焰喷焊（Flame Spray Welding）与等离子堆焊（Plasma Overlay Welding）虽然都属于熔覆工艺，但在工作原理上有本质区别：
| 对比项目 | 火焰喷焊 | 等离子堆焊 |
|---|---|---|
| 热源 | 氧-乙炔火焰 | 等离子弧 |
| 温度范围 | 3000~3200℃ | 10000~30000℃ |
| 加热方式 | 先加热粉末至熔化，再吹送熔覆 | 粉末直接送入弧区熔化 |
| 熔池深度 | 浅（0.1~0.3mm） | 深（0.3~1.0mm） |
| 稀释率 | 5%~15% | 10%~25% |
| 冷却速度 | 快 | 中等 |
| 设备成本 | 低 | 高 |
| 工艺灵活性 | 高 | 中 |
Ni60涂层的组织与性能分析
Ni60是一种经典的镍基自熔合金，其成分为Ni-6%Cr-6%B-2%Si（质量分数）。该合金在熔覆后形成以奥氏体为基体、含有B₂Ni、Ni₃Si、CrB等金属间化合物的组织。
火焰喷焊Ni60涂层
火焰喷焊制备的Ni60涂层具有以下特点：
- 内部缺陷较多：由于粉末在火焰中预热熔化后吹送熔覆，粉末在飞行过程中可能发生氧化，且熔池较浅，易产生气孔、未熔合等缺陷；
- 孔隙率较高：文献指出喷焊层孔隙率明显高于堆焊层，这主要与粉末的氧化程度和熔池的流动性有关；
- 硬度曲线波动大：硬度分布不均匀，表明组织存在明显的微观偏析或相分布不均；
- 磨损表面粗糙：划痕较多，表明材料中存在较硬的脆性相，在磨损过程中发生脆性剥落。
等离子堆焊Ni60涂层
等离子堆焊制备的Ni60涂层表现明显优于火焰喷焊：
- 内部缺陷少：等离子弧温度高、能量集中，粉末在弧区充分熔化，熔池流动性好，致密性高；
- 硬度分布均匀：组织均匀，硬度曲线平稳，表明合金元素分布均匀；
- 磨损表面平滑：磨损机制以塑性变形为主，表面较为平整。
WC颗粒添加对涂层性能的影响
WC（碳化钨）颗粒的添加是提高涂层硬度和耐磨性的有效手段。但WC在不同工艺条件下的行为差异显著：
火焰喷焊条件下的WC行为
- 脱碳问题：火焰温度相对较低（3000~3200℃），WC在火焰中可能发生部分脱碳反应：WC → W₂C + C 或 WC → W + C。脱碳后的W₂C硬度低于WC，降低了涂层的强化效果；
- 孔隙率增大：WC颗粒的加入使粉末混合物的流动性变差，熔池表面张力增大，气体逸出困难，导致孔隙率增加；
- WC颗粒破碎：火焰喷焊过程中粉末的碰撞与氧化可能导致WC颗粒破碎，影响其强化效果。
等离子堆焊条件下的WC行为
- WC保存完整：等离子弧温度高（10000℃以上），WC颗粒在极短时间内完全熔化，脱碳反应来不及发生，WC颗粒能较完整地保存在涂层内；
- 孔隙率影响小：等离子弧的高能量密度使熔池流动性好，WC颗粒的加入对孔隙率影响不大；
- 强化效果显著：完整的WC颗粒在涂层中形成硬质相，显著提高硬度和耐磨性。
硬度与耐磨性对比
| 涂层类型 | 平均硬度(HV) | 耐磨性(相对值) | 孔隙率(%) | 磨损表面特征 |
|---|---|---|---|---|
| Ni60火焰喷焊 | ~500 | 基准 | 较高 | 粗糙、划痕多 |
| Ni60等离子堆焊 | ~520 | ~1.2 | 较低 | 平滑 |
| Ni60-WC火焰喷焊 | ~550 | ~1.5 | 高 | 粗糙、划痕多 |
| Ni60-WC等离子堆焊 | ~700 | ~2.5 | 低 | 平滑、致密 |
工程应用建议
基于该文献的研究结果，在实际工程中选择Ni60及Ni60-WC涂层工艺时应考虑以下因素：
- 对涂层致密性要求高（如核电厂阀门密封面、化工耐腐蚀部件）：优先选用等离子堆焊工艺，确保涂层无缺陷、低孔隙率。
- 对成本敏感且性能要求适中（如一般耐磨件修复）：可采用火焰喷焊工艺，但需注意控制工艺参数以减少缺陷。
- 需要高硬度高耐磨性（如耐磨衬板、矿山机械零件）：必须选用等离子堆焊工艺制备Ni60-WC涂层，确保WC颗粒完整保存。
- 现场修复：火焰喷焊设备便携，适合现场作业；等离子堆焊设备体积较大，通常需在车间内完成。
关键技术思考
该文献揭示了一个重要的工艺规律：涂层的性能不仅取决于合金成分，更取决于制备工艺。同样的Ni60-WC合金体系，在不同工艺条件下表现出截然不同的组织与性能。这一认识对工程技术人员具有深刻的指导意义——在选择堆焊/喷焊工艺时，不能仅凭经验或成本考虑，必须从涂层服役工况出发，选择最合适的工艺路线。
学习心得
该文献的研究方法值得借鉴：通过严格控制变量（仅改变工艺方法，保持合金成分不变），系统对比两种工艺的效果差异，得出的结论具有高度可信性。对于从事耐磨涂层工程的技术人员而言，该文献的核心启示是：工艺选择是涂层设计中与材料选择同等重要的因素。在实际工程中，应根据服役工况的严苛程度、设备条件、成本预算等多重因素，综合权衡后做出最优的工艺决策。特别是在核电阀门等关键部件的耐磨涂层制备中，等离子堆焊工艺的优势不可替代，其制备的Ni60-WC涂层在硬度、耐磨性和致密性方面均显著优于火焰喷焊涂层。