等离子堆焊Stellite合金高温摩擦磨损特性研究学习体会

文献概况与研究背景

屈盛官等人于2016年在《摩擦学学报》发表的这篇论文，采用等离子堆焊技术在气门用钢基体上制备Stellite 1和Stellite F合金堆焊层，系统研究了高温条件下两种堆焊层的摩擦磨损性能及磨损机理。该研究由华南理工大学与怀集登云汽配股份有限公司合作完成，具有明确的工程应用导向——发动机气门在高速、高温、重载条件下工作，其耐磨性能直接影响发动机寿命和可靠性。Stellite合金作为钴基高温合金的代表，以其优异的高温耐磨性和抗热疲劳性著称，在航空发动机、燃气轮机、汽车发动机等高温工况部件中有着广泛应用。

核心研究内容

堆焊层制备与表征

研究采用等离子堆焊技术在气门用钢基体上制备Stellite 1和Stellite F合金堆焊层。等离子堆焊相比传统电弧堆焊具有热输入集中、稀释率低、冶金结合质量好等优点，特别适合高合金堆焊层的制备。对堆焊层的金相组织、物相组成和硬度等进行了系统表征。

高温摩擦磨损试验

在MMU-10G高温端面摩擦磨损试验机上，考察了不同温度条件下两种堆焊层的摩擦磨损性能。试验温度覆盖室温至600℃范围，模拟了发动机气门在不同工况下的温度环境。

高温对摩擦磨损性能的影响

这一结果呈现出一个值得深思的现象：摩擦系数随温度升高持续增大，但磨损体积在400℃达到峰值后反而减小。这种"摩擦系数增-磨损体积减"的非单调关系，揭示了高温条件下摩擦磨损行为的复杂性。

磨损机理深度分析

400℃工况下的剧烈磨损

400℃时两种合金堆焊层均产生了大量疲劳裂纹和宽大犁沟，磨损较为剧烈。这一现象的成因分析如下：

• 热软化效应：400℃接近Stellite合金的再结晶温度范围，材料强度显著下降，导致犁沟深度增大；
• 热应力循环：摩擦生热与冷却交替作用，产生热应力循环，促进疲劳裂纹萌生与扩展；
• 氧化加剧：400℃时氧化速率加快，氧化膜厚度增大，但膜层与基体之间的结合力不足，导致膜层剥落形成新的磨损面；
• 润滑失效：高温下摩擦副表面可能形成薄层氧化膜，但其润滑效果有限，反而增加了摩擦系数。

500-600℃工况下的磨损减轻

500-600℃时磨损体积反而减小，这一看似矛盾的现象可以通过以下机制解释：

• 氧化膜快速形成与稳定：高温下氧化膜形成速率加快，且膜层结构更加致密稳定，起到有效的隔离保护作用；
• 硬度下降的补偿效应：虽然材料硬度下降，但氧化膜的保护作用超过了硬度下降的负面影响；
• 磨痕形态变化：磨痕中心区域变窄，说明摩擦接触面积减小，单位面积载荷降低；
• 磨屑堆积与碾压：磨痕边缘的磨屑不断堆积并被碾压，形成致密的转移膜，起到固体润滑作用。

摩擦系数持续增大的原因

尽管500-600℃时磨损体积减小，但摩擦系数仍持续增大，这主要归因于：

• 磨痕边缘磨屑堆积并被碾压，产生严重的黏着磨损，增大了表面粗糙度和接触面积；
• 高温下材料塑性增大，摩擦副之间的黏着倾向增强；
• 氧化膜虽然保护了基体，但其摩擦学特性较差，增大了摩擦阻力。

工程应用与工艺思考

发动机气门选材与堆焊方案选择

该研究为发动机气门的高温耐磨堆焊方案选择提供了重要参考。在实际应用中，需要根据气门的工作温度区间选择适当的Stellite合金牌号：

• 工作温度低于400℃的气门：需注意400℃附近的"临界磨损温度"，避免在此温度区间长期工作；
• 工作温度在500-600℃的气门：Stellite合金的氧化膜保护机制可充分发挥作用，耐磨性能良好；
• 工作温度波动剧烈的工况：需关注热疲劳裂纹的萌生与扩展，可能需要采用多层堆焊或梯度涂层方案。

等离子堆焊工艺控制要点

Stellite合金等离子堆焊的工艺控制需要特别注意以下方面：

• 热输入控制：Stellite合金对热裂纹敏感，需严格控制热输入，避免过热；
• 稀释率控制：稀释率过高会显著降低堆焊层的高温耐磨性能，需通过工艺参数优化将稀释率控制在较低水平；
• 层间温度：多层堆焊时层间温度不宜过高，否则可能导致前层组织粗化和性能下降；
• 焊接电流波形：采用脉冲焊接可有效降低平均热输入，减少热裂纹倾向。

高温摩擦学测试的工程意义

该研究采用端面摩擦磨损试验机进行高温测试，模拟了气门与气门座圈之间的摩擦接触状态。端面摩擦试验相比传统的销-盘试验更接近气门的实际工作状态，测试结果更具工程参考价值。但需要注意的是，实验室条件下的摩擦学测试与实际服役环境仍存在差异，实际应用中还需考虑振动、冲击、腐蚀介质等复杂因素的耦合影响。

学习总结

这篇文献系统揭示了Stellite合金堆焊层在高温条件下的摩擦磨损行为及其机理转变规律，发现了400℃附近的"临界磨损温度"现象和500-600℃区间氧化膜保护机制的补偿效应。其核心价值在于将"高温下材料性能下降导致磨损加剧"这一简单认知，提升为"氧化膜形成-硬度下降-磨屑转移"多机制耦合的复杂图景。对于从事高温耐磨涂层设计与工程应用的技术人员而言，理解高温摩擦磨损的机理转变规律，有助于在实际工况条件下做出更合理的材料选择和工艺设计，避免在"临界磨损温度"区间出现意外的早期失效，同时充分利用高温氧化膜的保护效应，延长涂层服役寿命。