FeCrBSiWNb喷涂层钨极氩弧摆动重熔处理学习体会

文献概况与技术背景

本文出自江苏徐州工程机械研究院与高端工程机械智能制造国家重点实验室，发表于《表面技术》2017年第46卷第7期。研究针对高速电弧喷涂（HVOF）制备的FeCrBSiWNb涂层的重熔处理问题，设计了钨极氩弧摆动重熔工艺。工程机械的关键零部件如挖斗齿、泵轴、阀杆等承受严重的磨蚀工况，表面强化技术对其寿命提升至关重要。

传统重熔工艺的问题与改进思路

传统无摆动重熔的局限性

传统钨极氩弧无摆动重熔工艺存在单道宽度窄且不均匀、多道搭接处易出现气孔及裂纹等问题。单道宽度窄导致需要多道搭接才能覆盖整个涂层区域，而多道搭接处由于重复热循环和残余应力叠加，成为裂纹和气孔的高发区域。此外，窄道重熔产生的高残余应力会进一步加剧裂纹倾向，影响涂层的使用可靠性。

摆动重熔的设计原理

文献通过几何分析和计算设计了摆动重熔工艺，核心思想是通过钨极在X方向和Y方向的复合运动扩大单道重熔宽度，减少搭接次数，从而降低残余应力和裂纹倾向。摆动重熔不仅改变了熔池的几何形态和冷却条件，还通过热输入的空间分布优化改善了涂层的组织均匀性。

工艺参数与组织性能分析

摆动重熔工艺参数

从参数设置可以看出，该工艺采用小电流（53~55A）配合高进给速度（485~500mm/min），X方向摆动速度（65~68mm/min）远小于Y方向进给速度，形成了"快速进给、低速摆动"的运动模式。这种参数组合确保了熔池具有足够的流动性以实现摆动重熔的宽度扩展，同时通过快速进给控制了总热输入，避免了过热导致的晶粒粗化和性能下降。

重熔层组织特征

摆动重熔层内部无裂纹，单道宽度增大，这是该工艺最显著的成效。重熔层的基体组织由马氏体、残余奥氏体和Fe-Cr固溶体组成，硬质相由硼化物及拉弗斯相（Laves phase）组成。

重熔层存在固溶强化、析出强化等多种强化方式的协同作用，这是其高硬度（820HV0.3）的根本原因。马氏体的形成源于快速冷却条件下的无扩散相变，残余奥氏体的保留则与合金元素（Cr、C）的奥氏体稳定化作用相关。硼化物（如FeB、Fe₂B）和拉弗斯相（Fe₂W）作为硬质相弥散分布在基体中，提供了优异的耐磨性。

残余应力控制与裂纹抑制机制

文献指出，摆动重熔工艺通过增大单道重熔层宽度有效解决了重熔层内部残余应力大易导致裂纹产生的问题。从焊接冶金学角度分析，残余应力主要由热应力和相变应力组成。摆动重熔通过以下机制降低残余应力：

1. 单道宽度增大意味着熔池体积增大、冷却速度相对降低，热应力梯度减小。
2. 摆动运动使热输入在空间上更加均匀分布，避免了局部过热和急冷。
3. 减少搭接次数降低了多道焊之间的应力叠加效应。
4. 残余奥氏体的存在可通过后续使用过程中的相变释放部分应力（TRIP效应）。

工程应用价值与改进方向

在工程机械表面强化领域，FeCrBSiWNb涂层因其优异的综合耐磨性而受到关注。该涂层中的W元素提供高硬度拉弗斯相，B元素形成超硬硼化物，Cr和Si提供固溶强化和耐蚀性。然而，HVOF喷涂层固有的孔隙、未熔颗粒和层状结构限制了其性能发挥，重熔处理是解决这些问题的有效手段。

本文提出的摆动重熔工艺为工程机械零部件的表面强化提供了新的工艺方案。在实际应用中，还需考虑涂层与基体的结合强度、热循环对基体性能的影响以及涂层在服役条件下的疲劳寿命等问题。此外，摆动重熔的参数优化可进一步结合数值模拟和数据分析方法，实现更精确的工艺控制。总体而言，该研究为高速电弧喷涂涂层的后处理工艺优化提供了有价值的参考。