等离子堆焊Stellite6合金高温耐磨性能研究学习体会

文献概况与研究背景

本文由沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司关锰等与沈阳工业大学林雪健等合作完成，发表于《特种铸造及有色合金》2023年第43卷第6期。研究针对304H不锈钢轴承在高温工况下耐磨性不足的问题，采用等离子弧堆焊技术在304H不锈钢表面制备Stellite 6合金堆焊层，系统研究了堆焊层的微观组织及不同温度下的耐磨性能。304H不锈钢是超低碳奥氏体不锈钢，H表示碳含量控制在0.08%以下，主要用于高温环境，如核电厂蒸汽发生器传热管、高温压力容器等。然而，304H不锈钢的硬度较低（通常HV 150~200），在高温磨损工况下耐磨性不足，严重影响轴承等关键部件的使用寿命。

堆焊层微观组织分析

组织特征

Stellite 6合金是以Co-Cr-W为基体的硬质合金，其优异的耐磨性主要来源于高硬度的γ-Co固溶体基体和弥散分布的碳化物。M₇C₃型碳化物是Co-Cr-W合金中常见的硬质相，硬度可达HV 1500~2000，是提供耐磨性的关键相。WC作为未溶解的硬质颗粒，同样对耐磨性有重要贡献。

柱状晶在堆焊层中的发展是快速凝固的典型特征。等离子弧堆焊的冷却速率介于激光熔覆和电弧堆焊之间，熔池温度梯度大，有利于柱状晶的生长。熔合区的平面晶区表明在熔合线附近，温度梯度方向与凝固方向一致，形成了平面生长特征。

硬度分布特征

从基体到堆焊层硬度值不断增加，距熔合线0.2 mm后进入稳定区，硬度值高于HV 460。这一硬度梯度分布是堆焊层的典型特征。0.2 mm的过渡区虽然较窄，但在实际应用中需要关注这一区域的力学性能——硬度突变可能导致应力集中，在交变载荷作用下可能成为裂纹萌生的位置。

高温耐磨性能分析

不同温度下的磨损行为

磨损机制分析表明，在250~500℃范围内，Stellite 6堆焊层的高温磨损机制为磨粒磨损、粘着磨损和氧化磨损三种机制共同作用，且随温度升高磨损程度加剧，但磨损机制没有明显改变。

磨损机制的深入分析

磨粒磨损是硬质颗粒对堆焊层表面的切削和犁沟作用，是耐磨材料面临的主要磨损形式。Stellite 6合金中高硬度的M₇C₃碳化物和WC颗粒能够有效抵抗磨粒磨损，但碳化物的分布均匀性和与基体的结合强度是关键。如果碳化物与基体的结合强度不足，在磨粒作用下可能发生拔出或剥落，反而加速磨损。

粘着磨损是摩擦副接触面在压力和剪切力作用下发生局部粘着，随后被撕裂造成材料转移。高温条件下，材料表面的氧化膜被破坏，新鲜金属暴露，粘着倾向增加。Stellite 6合金中的Co、Cr、W等元素有利于形成稳定的氧化膜，但在500℃以上的高温下，氧化膜可能变得疏松多孔，失去保护作用。

氧化磨损是高温下材料表面氧化形成氧化膜，氧化膜在摩擦过程中被磨除，暴露新鲜表面继续氧化，形成循环。氧化磨损在高温条件下往往成为主导机制。

值得注意的是，虽然磨损程度随温度升高而加剧，但磨损机制没有明显改变，这说明在250~500℃范围内，Stellite 6合金的微观组织没有发生显著的相变或软化。如果温度继续升高到600℃以上，Co基合金可能开始发生固溶体软化，碳化物可能开始聚集长大，磨损机制可能发生改变。

工程应用与工艺优化思考

核电泵轴承的应用场景

核电泵轴承在运行过程中承受高温、高压、高速旋转的恶劣工况，磨损是轴承失效的主要原因之一。Stellite 6合金堆焊层的应用可以显著延长轴承的使用寿命。但需要考虑以下工程问题：

1. 堆焊层的结合强度：等离子弧堆焊的热输入较大，可能导致堆焊层与基体之间的残余应力较高。在轴承承受交变载荷的工况下，结合界面是潜在的疲劳裂纹萌生位置。
2. 堆焊层的残余应力：堆焊过程中产生的残余拉应力会降低堆焊层的疲劳寿命。可以通过堆焊后进行去应力退火来消除残余应力，但需要注意退火温度不能过高，以免导致碳化物聚集长大。
3. 堆焊层的加工性能：Stellite 6合金硬度高、加工硬化严重，堆焊后的机械加工需要采用合适的刀具材料和切削参数。
4. 热膨胀匹配：Co基合金与304H不锈钢的热膨胀系数存在差异，在温度循环工况下可能产生热应力，影响堆焊层的长期稳定性。

工艺优化方向

• 多层堆焊：采用多层堆焊可以降低稀释率，改善堆焊层的成分和组织均匀性。
• 脉冲等离子弧堆焊：通过脉冲控制熔池温度，减少热输入，降低残余应力。
• 堆焊后热处理：适当的去应力退火可以消除残余应力，但需要控制温度和保温时间。
• 堆焊层厚度优化：过薄的堆焊层可能无法承受磨损，过厚则增加加工难度和成本。

学习心得与启示

该研究系统揭示了Stellite 6合金堆焊层在高温条件下的耐磨行为，为核电泵轴承的耐磨化设计提供了重要的实验依据。从250℃到500℃的磨损测试结果表明，Stellite 6合金在这一温度范围内具有良好的高温耐磨性，磨损机制稳定，没有发生根本性改变。硬度分布的梯度特征（基体到堆焊层逐步升高，0.2 mm后稳定）是等离子弧堆焊的典型特征，这一梯度分布在实际应用中需要评估其对轴承疲劳寿命的影响。碳化物类型和分布对耐磨性的贡献是Stellite 6合金的核心优势，M₇C₃型复合碳化物和WC颗粒共同构成了耐磨的微观基础。未来研究可进一步关注更高温度（600℃以上）下的磨损行为、堆焊层在热循环载荷下的疲劳-磨损耦合行为，以及不同堆焊工艺参数对堆焊层组织和耐磨性的影响规律，为核电装备的长寿命设计提供更全面的技术支撑。