WC添加量对等离子堆焊FeCrNiSiB堆焊层组织与性能影响的学习体会

文献基本信息与研究背景

本文发表于2024年第39卷第6期《材料开发与应用》，由青岛国实科技集团有限公司邴绍旺等人与青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司、国家海洋设备质检中心合作完成，受青岛海洋科学与技术试点国家实验室"十四五"重大项目资助。研究采用等离子堆焊技术在船用Q235低碳钢表面制备不同WC添加量（质量分数）改性的FeCrNiSiB堆焊层，系统研究了WC添加量对堆焊层组织、显微硬度及摩擦磨损性能的影响。

堆焊层组织与相组成

研究结果表明，FeCrNiSiB堆焊试样的截面分为堆焊层、熔合区和基体三层结构。堆焊层的主要物相包括Cr₂₃C₆、Cr₃Fe₁₄C、C和WC等。组织呈现黑白两相互相掺杂的特征：

WC粉末添加量的增加提高了碳化物强化相的体积占比，这一发现符合经典强化理论中第二相体积分数与硬度的正相关关系。但值得注意的是，WC添加量并非越多越好——当WC含量过高时，可能出现以下问题：

1. 碳化物网络的形成：过量WC可能导致连续碳化物网络，严重降低堆焊层韧性，增加脆性开裂风险。
2. 熔池流动性下降：高WC含量增加熔池粘度，影响焊缝成形质量。
3. 稀释率变化：WC的高密度（19.3 g/cm³）与金属基粉差异大，混合不均匀性增加。

硬度与摩擦磨损性能分析

显微硬度随WC添加量的增加而增加，且堆焊层底部的硬度高于上部。底部硬度较高可能与以下因素有关：

• 底部区域冷却速率较慢，碳化物有充分时间析出和长大。
• 底部区域与基体的热传导更充分，碳的扩散和碳化物形核条件更优。
• 底部区域可能经历了更长的保温时间，促进了平衡态碳化物的形成。

摩擦系数稳定在0.55～0.65之间，随WC添加量增加先降低后增加。这一非单调变化的机理值得深入分析：

• 低WC添加量阶段：WC颗粒增加表面硬度，减少粘着磨损，摩擦系数下降。
• 高WC添加量阶段：过量WC可能导致表面粗糙度增加，机械咬合加剧，摩擦系数回升。
• 最优添加量：WC添加量为30%时具有最佳摩擦磨损性能，堆焊电流为130A。

工程应用思考与工艺优化建议

从工程实践角度，这项研究为船用Q235钢的表面耐磨强化提供了明确的技术参数窗口。在实际应用中，需要注意以下几点：

1. 工艺参数匹配：堆焊电流130A、WC添加量30%的组合是实验最优解，但实际生产中还需考虑辊面曲率、环境温度、送粉均匀性等因素的综合影响。
2. 多层堆焊策略：单道堆焊可能产生较大的稀释率和应力集中，建议采用多层多道堆焊，每层间进行适当的层间温度控制。
3. 质量检测要求：堆焊层硬度梯度、结合强度、微观组织均匀性均需纳入质量控制体系。建议采用金相显微镜观察组织，维氏硬度计测量硬度分布，摩擦磨损试验机评估性能。
4. 服役环境适配：海洋环境中的氯离子腐蚀与磨损协同作用（腐蚀磨损）是FeCrNiSiB体系需要重点关注的问题，Cr和Ni的加入有助于提高耐蚀性，但WC颗粒界面可能成为腐蚀敏感区域。

这项研究体现了海洋工程领域对高性能表面材料的迫切需求。随着深海装备和海洋工程结构的快速发展，耐磨、耐蚀、长寿命的表面技术将成为关键支撑。我建议后续研究可进一步探索WC与其他纳米增强相（如TiC、TaC）的复合改性效果，以及堆焊层在模拟海洋环境中的长期服役行为。