等离子弧堆焊镍基球形碳化钨涂层摩擦磨损研究文献学习体会

文献概况与背景

本文发表于《表面技术》2018年第47卷第2期，作者来自中海油能源发展装备技术有限公司、上海应用技术大学及上海海事大学，由海洋公益性行业科研专项经费项目资助。研究背景聚焦于海洋工程装备中关键零部件的耐磨防护需求，采用等离子转移弧堆焊（Plasma Transfer Arc Surfacing，PTA）技术制备镍基球形碳化钨（WC）复合涂层，系统考察了碳化钨质量分数从20%到60%范围内涂层摩擦磨损性能的变化规律。

核心观点与技术路线

该研究的核心结论是：随着碳化钨含量的增加，复合涂层的耐磨性能持续提升，同时近熔合区基体的耐磨性能也得到改善。当碳化钨质量分数低于50%时，主要磨损机制为粘着磨损和氧化磨损；当质量分数超过50%时，磨损机制转变为粘着磨损与磨料磨损并存。基于性能与成本的平衡考量，作者推荐碳化钨质量分数为50%作为工程应用的最优配比。

从技术路线来看，研究采用了Bruker公司生产的万能摩擦磨损试验机对涂层侧面进行摩擦测试，并通过表面形貌观察、摩擦系数测定、划痕横截面积测量以及磨损面微观形貌分析等多种手段，构建了较为完整的性能评价体系。

关键技术参数与工艺分析

从工艺角度分析，等离子弧堆焊相较于传统手工电弧堆焊，具有以下显著优势：熔池温度可控性更强，稀释率可控制在较低水平（通常可低于10%），有利于保持增强相WC的完整性；电弧能量密度高，熔深适中，适合多层堆焊作业；自动化程度高，涂层均匀性好。

磨损机制的深层分析

该研究揭示了一个重要的工程规律：碳化钨含量与磨损机制之间存在明确的阈值效应。当WC含量低于50%时，涂层中WC颗粒分布相对稀疏，基体镍合金在摩擦过程中起主导作用，摩擦副表面发生金属间的粘着转移，同时在高温摩擦区发生氧化反应，形成氧化膜，氧化膜又因应力作用剥落，形成氧化磨损特征。当WC含量超过50%时，涂层中硬质相WC颗粒密集分布，在摩擦过程中WC颗粒对摩擦副表面产生微切削作用，形成磨料磨损特征。

值得注意的是，作者提到"增强相的不断生成"这一现象，这值得深入思考。在等离子弧堆焊过程中，WC颗粒在高温熔池中会发生部分分解，生成W2C、W6C等次生碳化物以及游离碳。这些次生碳化物本身也是硬质相，对涂层的耐磨性有贡献。因此，实际涂层中的有效硬质相含量可能高于原始粉末中的WC含量。

与工程实践的结合

在海洋工程装备领域，如海洋平台系泊系统、海底管道连接器、钻井平台提升设备中的关键摩擦副，常面临海水腐蚀与磨损的协同损伤问题。镍基合金本身具有良好的耐海水腐蚀性能，而碳化钨的加入显著提升了耐磨性，两者结合形成"耐蚀+耐磨"的协同防护体系。

在实际应用中，需要特别关注以下几个方面：第一，等离子弧堆焊前的基体预处理，包括表面打磨、除油、预热等，直接影响涂层结合强度；第二，多层堆焊时层间温度的控制，过高的层间温度会导致WC颗粒的过度分解；第三，堆焊后的热处理工艺，适当的去应力退火可以消除残余应力，提高涂层可靠性。

关键疑问与工程思考

该研究虽然得出了碳化钨含量与耐磨性能之间的正相关关系，但在实际工程应用中还需考虑以下问题：当WC含量过高时，涂层的结合强度是否会下降？涂层脆性增加是否会导致服役过程中出现剥落风险？球形WC与不规则形貌WC在涂层性能上是否存在差异？这些问题在后续研究中值得进一步探讨。

此外，研究仅采用万能摩擦磨损试验机进行干摩擦测试，而海洋工程环境中的摩擦往往伴随海水润滑和腐蚀介质作用，湿摩擦条件下的磨损行为可能与干摩擦存在显著差异。

学习心得与启示

该文献为海洋工程装备耐磨涂层的设计提供了重要的基础数据支撑。其系统性的梯度实验设计和多维度性能评价方法值得借鉴。对于从事钢管、管件表面防护技术研究的人员而言，该研究启示我们：增强相的选型与含量优化是涂层设计的关键环节，而磨损机制的转变规律可以作为涂层配方的指导依据。在实际工程中，应根据具体的工况条件（载荷、速度、环境介质等）选择合适的增强相类型和含量，而非简单地追求最高硬度。