卓金管件有限公司激光堆焊镍基碳化钨梯度焊层及耐磨机理分析的文献学习体会
文献概况与技术背景
本文发表于2002年《焊接学报》第23卷第1期，由广州有色金属研究院完成。文章首次提出了利用同轴同步送粉的激光堆焊方法在Q235钢基体表面制备工程厚度的WC梯度焊层，并研制了可连续进行梯度焊层堆焊的激光枪。该研究在激光堆焊技术领域具有重要的开创性意义，为梯度功能材料的激光制备提供了新的技术途径。
激光堆焊技术的优势
与传统的电弧堆焊相比，激光堆焊具有以下显著优势：
| 技术特性 | 激光堆焊 | 电弧堆焊 |
|---|---|---|
| 热输入 | 低，热影响区小 | 高，热影响区大 |
| 稀释率 | 低，通常5%-15% | 高，通常20%-50% |
| 成形精度 | 高，可精确控制 | 较低，受熔池流动影响 |
| 合金成分控制 | 精确，可梯度变化 | 较难精确控制 |
| 冷却速率 | 快，组织细化 | 较慢，组织较粗 |
| 设备成本 | 较高 | 较低 |
激光堆焊的低稀释率特性使其特别适合制备高合金化的堆焊层，如含碳化钨（WC）的耐磨堆焊层。WC的熔点高达2870℃，远高于钢的熔点，在电弧堆焊中难以充分熔化和均匀分布，而激光堆焊的高能量密度可以实现WC颗粒的充分熔化和均匀分布。
梯度焊层的概念与制备原理
梯度焊层是指在堆焊层中，合金成分沿厚度方向呈梯度变化，从而在硬度、耐磨性、WC颗粒分布等方面实现梯度过渡。这种梯度结构的优势在于：
- 表层具有高硬度、高耐磨性，满足耐磨工况要求。
- 深层硬度较低，韧性较好，与基体实现良好过渡，避免应力集中。
- WC颗粒在表层密集分布，深层稀疏分布，兼顾耐磨性与结合强度。
本文提出的同轴同步送粉技术是实现梯度焊层的关键。该技术通过控制送粉过程，使不同成分的粉末按预定比例和顺序送入激光熔池，从而在堆焊层中形成成分梯度。
梯度焊层的组织特征与性能分析
组织特征
梯度焊层的组织从表层到深层呈现以下特征：
- 表层：高WC含量区域，WC颗粒密集分布，基体为高合金化的奥氏体或马氏体，硬度最高。
- 中层：WC含量适中区域，WC颗粒分布较均匀，基体合金化程度中等，硬度适中。
- 深层：低WC含量区域，WC颗粒稀疏分布，基体合金化程度低，与基体过渡良好。
硬度梯度
梯度焊层的硬度沿厚度方向呈梯度变化，表层硬度最高，可达1000 HV以上，深层硬度逐渐降低至与基体接近的水平。这种硬度梯度有利于减少界面处的应力集中，提高堆焊层与基体的结合强度。
WC颗粒分布
WC颗粒在梯度焊层中的分布呈梯度变化，表层WC颗粒密集且细小，深层WC颗粒稀疏且较大。这种分布特征有利于表层获得高耐磨性，同时深层保持良好的韧性。
基材熔深的控制
激光堆焊中的一个关键问题是基材熔深的控制。过大的熔深会导致基体稀释严重，影响堆焊层的合金成分和性能；过小的熔深则可能导致堆焊层与基体结合不良。本文通过精细控制送粉过程实现了对熔深的有效控制。
影响熔深的主要因素包括：
- 激光功率：功率越高，熔深越大。
- 焊接速度：速度越快，熔深越小。
- 送粉速率：送粉速率越高，熔池被填充的速度越快，熔深越小。
- 保护气体流量：气体流量影响激光束的聚焦和熔池的冷却，间接影响熔深。
通过调整送粉过程，可以在不改变激光功率和焊接速度的情况下，精确控制熔深，从而实现梯度焊层的均匀制备。
耐磨机理分析
梯度焊层的耐磨性主要来源于以下机理：
- WC颗粒的强化作用：WC是已知最硬的陶瓷材料之一，其硬度可达2500 HV以上。WC颗粒在堆焊层中起到硬质相的作用，显著提高耐磨性。
- 梯度结构的应力分散作用：梯度结构使得应力从表层向深层逐渐分散，避免应力集中导致的裂纹萌生和扩展。
- 基体合金化的强化作用：镍基合金基体具有良好的高温强度和抗氧化性，与WC颗粒协同作用提高耐磨性。
- 微合金元素的固溶强化：镍、铬等元素固溶于基体中，提高基体强度，增强对WC颗粒的支撑作用。
工程实践启示
激光堆焊镍基碳化钨梯度焊层技术可应用于以下工程场景：
- 石油钻杆耐磨层：钻杆在井下工作时承受高速岩屑冲刷，梯度耐磨层可显著提高钻杆使用寿命。
- 阀门密封面：阀门密封面需要同时满足耐磨性和结合强度要求，梯度焊层可实现这一目标。
- 模具耐磨层：注塑模具、压铸模具等需要承受高温和磨损的工况，梯度耐磨层可提高模具使用寿命。
- 工程机械耐磨件：挖掘机斗齿、推土机铲刀等需要高耐磨性的部件，可采用梯度焊层技术进行表面强化。
在实际应用中，应注意以下工艺要点：
- 送粉系统的精确控制：送粉速率和送粉顺序的精确控制是实现梯度焊层的关键。
- 激光参数的优化：根据基体材料和堆焊层要求，优化激光功率、焊接速度、离焦量等参数。
- 多层堆焊的工艺规划：对于工程厚度的堆焊层，需合理规划多层堆焊的层间参数和成分梯度。
学习心得与总结
本文虽然发表于2002年，但其提出的激光堆焊镍基碳化钨梯度焊层技术思路至今仍具有重要的工程应用价值。同轴同步送粉技术是实现梯度焊层的关键创新，通过精细控制送粉过程实现对熔深的精确控制，这一技术理念在现代激光增材制造中得到了进一步发展和应用。梯度焊层的概念体现了功能梯度材料的设计思想，通过成分梯度实现性能的梯度过渡，有效解决了传统均匀堆焊层中硬度与韧性难以兼顾的问题。通过研读本文，我深刻认识到激光堆焊技术在表面强化领域的巨大潜力，以及梯度设计思想在工程材料应用中的重要性。随着激光技术和送粉技术的不断发展，激光堆焊梯度焊层技术将在更多领域得到应用，为装备的表面强化和寿命延长提供有效的技术手段。