球形碳化钨增强钴基堆焊涂层低温耐磨性学习体会

文献概况与研究意义

石亮等人发表于《表面技术》2022年第51卷第2期的这篇论文，针对极地船舶板用低温钢E32的焊补延寿需求，利用等离子转移弧堆焊（Plasma Transfer Arc Welding，PTA）技术制备了球形碳化钨（WC）增强钴基复合涂层。该研究获得国家重点研发计划（2016YFB0300704）、国家自然科学基金（52071091）和浦东新区科技项目（PKJ2019-C03）资助，研究团队来自上海海事大学和广州航海学院，具有鲜明的海洋工程应用导向。

极地船舶在极低温环境下长期服役，船板材料面临低温脆断、冰层摩擦磨损、海水腐蚀等多重挑战。E32钢作为典型的极地用低温钢，其本体耐磨性有限，在冰区航行时船板表面的磨损问题尤为突出。通过表面堆焊改性提升低温耐磨性，是一种经济有效的延寿手段。

涂层制备与微观组织

研究采用PTA工艺在E32钢表面堆焊制备了三组不同WC含量的钴基涂层，通过XRD、SEM、EDS和3D光学轮廓仪等分析手段系统研究了WC含量对涂层组织和耐磨性能的影响。

从组织分析结果来看，WC含量增加后，涂层中出现了丰富的碳化物硬质相体系，包括WC、W₂C以及Cr₂₃C₆、Cr₇C₃、Co₆W₆C和Fe₆W₆C等多种碳化物。这种多相硬质相的协同强化机制是涂层耐磨性提升的核心原因。值得注意的是，球形WC颗粒的加入方式与传统不规则形WC颗粒有所不同，球形颗粒在熔池中更容易均匀分布，减少了局部偏析和团聚现象，有利于获得组织均匀致密的涂层。

低温摩擦磨损性能分析

试验条件为载荷50 N、滑动速度20 mm/s，在-20°C条件下进行2小时干滑动摩擦磨损试验。结果表明，三组涂层相比E32基体钢，摩擦系数和体积磨损率均显著下降，磨痕的宽度和深度均明显减小。

从磨损机理的演变来看，未添加WC的对照组涂层以磨粒磨损和粘着磨损为主，说明钴基合金在低温条件下虽然韧性较好，但硬度不足导致抗磨粒磨损能力有限。当WC含量达到30%和60%时，磨损机理转变为三体磨粒磨损，这意味着涂层表面硬度已足够高，硬质相能够抵抗磨粒的直接切削作用，磨粒被嵌入涂层与对偶件之间形成"第三体"，以滚动摩擦的方式参与磨损过程。

从材料设计角度分析，WC含量从30%增加到60%时耐磨性继续提高，但提升幅度可能趋于平缓。这提示存在一个经济最优的WC含量区间，超过该区间后，WC的进一步增加不仅边际效益递减，还可能导致涂层脆性增大、结合强度下降等负面效应。在实际工程中，需要在耐磨性与涂层可靠性之间寻找最佳平衡点。

工艺控制要点与工程应用思考

PTA堆焊工艺在制备碳化钨增强复合涂层时，有几个关键的工艺控制要点需要关注：

1. 熔池温度控制：WC的熔点为2870°C，而钴基合金的熔点约为1320°C。在PTA堆焊过程中，WC颗粒在熔池中会发生不同程度的熔化和分解，产生W₂C等次生碳化物。熔池温度过高会导致WC过度分解，降低硬质相的保留率；温度过低则可能导致WC颗粒未充分润湿，影响界面结合。
2. 送粉均匀性：球形WC颗粒的流动性优于不规则形颗粒，有利于送粉系统的稳定供粉。但高硬度颗粒在送粉管道中可能产生磨损，需要定期检查和更换送粉管路部件。
3. 稀释率控制：PTA工艺的稀释率通常较低（一般<10%），有利于保持涂层中WC的原始含量。但稀释率过低可能导致涂层与基体的冶金结合不充分，影响结合强度。
4. 多层堆焊的层间温度：多层堆焊时，层间温度过高会导致前一层涂层的碳化物发生球化和粗化，降低硬度。建议严格控制层间温度，必要时采用强制冷却措施。

从工程应用的角度来看，该研究为极地船舶板面的焊补修复提供了一种可行的技术方案。但实际应用中还需考虑以下问题：涂层在海水环境中的耐蚀性能如何？涂层与E32基体之间的热膨胀系数匹配性是否良好？在-40°C甚至-60°C的极低温条件下，涂层的韧性和抗冲击性能是否满足要求？这些问题需要后续研究进一步验证。

学习心得与启示

这篇文献让我深刻认识到，表面改性技术的选择必须紧密结合服役环境的具体特征。极地船舶板面的磨损问题看似简单，实则涉及低温材料韧性、硬质相稳定性、海水腐蚀等多学科交叉问题。球形WC颗粒的选用是一个值得借鉴的技术思路，球形颗粒在熔池中的行为更可控，有利于获得组织均匀的涂层。同时，多相碳化物的协同强化机制也提示我们，在涂层设计中可以综合考虑不同硬质相的互补作用，而非单纯追求单一相的高含量。对于从事海洋工程装备表面防护的技术人员而言，理解硬质相在熔覆过程中的相变行为和组织演变规律，是实现涂层性能精准调控的关键。