高C高Cr等离子弧堆焊层的微观组织及高温性能——文献学习体会

文献概况与应用背景

本文发表于2018年《锅炉技术》第49卷第4期，作者杨惠勤来自上海锅炉厂有限公司，曲生志同时来自上海锅炉厂和上海交通大学材料科学与工程学院。研究通过光学显微镜、扫描电镜和摩擦计等实验设备，对不同状态下采用等离子粉末堆焊得到的高C高Cr熔敷金属的微观组织、成分、硬度和高温耐磨性能进行了系统表征。

该研究的工程背景是锅炉和压力容器行业的耐磨修复需求。锅炉炉膛水冷壁管、旋风分离器、磨煤机部件等设备长期承受高温烟气和固体颗粒的冲蚀磨损，是典型的"高温+磨损"复合工况。传统的堆焊修复材料在高温下硬度急剧下降，耐磨寿命大幅缩短，因此开发高温耐磨堆焊材料具有重要的工程意义。

微观组织与碳化物类型

文献揭示高C高Cr堆焊层的微观组织由铁素体基体与多种类型的碳化物构成：

碳化物类型的分布与碳含量和铬含量密切相关：

• 高碳区域：碳含量较高时，有利于形成M₂₃C₆和M₁₂C型碳化物。M₂₃C₆型碳化物通常在晶界处呈网状分布，M₁₂C型碳化物在枝晶间呈长条状分布。
• 高铬区域：铬含量较高时，有利于形成MC型碳化物。MC型碳化物硬度最高，且呈等轴形均匀弥散分布，增强效果最佳。

碳化物的类型、数量、形态和分布对堆焊层的硬度和耐磨性有决定性影响。MC型碳化物虽然硬度最高，但其形成需要较高的铬含量和较低的碳含量（Cr/C>10），且容易在晶界处偏聚，影响韧性。M₂₃C₆型碳化物虽然硬度较低，但其网状分布有利于阻止裂纹扩展。

高温硬度性能

文献的核心性能数据表明，高C高Cr堆焊层的硬度随测试温度的升高而降低，在600℃~800℃硬度下降幅度较大，但仍能达到HV350以上。这一性能特征具有重要的工程意义：

600℃~800℃硬度下降幅度较大的原因分析：

• 铁素体基体在该温度范围内发生再结晶和晶粒长大，导致基体软化。
• 碳化物与基体之间的界面扩散加速，碳化物溶解或粗化。
• 高温下位错运动能力增强，材料的屈服强度和硬度下降。

尽管如此，高C高Cr堆焊层在800℃仍能达到HV350以上，这主要归功于碳化物（特别是MC型碳化物）的高温稳定性。MC型碳化物的熔点高达2400℃以上，在800℃以下不会发生显著溶解或粗化，因此能有效维持堆焊层的高温硬度。

高温摩擦磨损性能

文献还研究了700℃~800℃高温状态下堆焊层的摩擦磨损性能，发现摩擦系数经过10~20min磨合期后基本稳定在0.6左右。700℃时效处理后可以缩短磨合期。

摩擦系数稳定在0.6左右的机理分析：

• 在700℃~800℃高温下，堆焊层表面形成氧化膜（主要为Cr₂O₃和Fe₂O₃），该氧化膜起到固体润滑剂的作用。
• 碳化物颗粒在摩擦过程中暴露于表面，形成硬质摩擦副，减少金属间的直接接触。
• 磨合期的存在是由于初始摩擦时表面粗糙度较大，随着摩擦进行表面逐渐光滑化，摩擦系数趋于稳定。

700℃时效处理缩短磨合期的原因：

• 时效处理使碳化物进一步均匀化，减少局部应力集中。
• 时效处理改善了碳化物与基体之间的结合强度，减少摩擦过程中的碳化物剥落。
• 时效处理使基体组织更加均匀，提高了摩擦表面的均匀性。

工艺参数与质量控制

等离子粉末堆焊高C高Cr合金的工艺控制要点包括：

• 送粉方式：采用送粉式等离子弧堆焊（Plasma Powder Transfer Arc Welding），粉芯电弧的送粉效率可达80%以上。
• 热输入控制：电流150-250A，弧压20-30V，热输入控制在0.5-1.5kJ/mm，避免过度稀释和晶粒粗大。
• 层间温度：控制在150-250℃，防止多层堆焊时累积热效应导致组织粗化。
• 粉末制备：采用气雾化或水雾化制备球形粉末，粉末粒度控制在45-150μm，保证送粉均匀性和熔敷效率。
• 气体保护：采用高纯氩气（Ar≥99.99%）保护，防止堆焊层氧化和氮化。

学习心得与工程启示

该文献体现了"组织—性能—工艺"三位一体的研究思路，对于锅炉和压力容器行业的耐磨修复具有重要的指导意义。高C高Cr堆焊层在高温工况下仍能保持较高的硬度和耐磨性，这主要归功于碳化物的类型选择和均匀分布。

从材料设计角度，碳化物的类型、数量和分布是决定高温耐磨性能的关键因素。MC型碳化物虽然硬度最高，但其形成需要特定的成分条件和工艺条件。在实际生产中，应根据具体工况要求（温度、磨损类型、载荷谱）选择合适的碳化物类型和成分配比。

从工艺控制角度，等离子粉末堆焊的高能量密度和快速凝固特性有利于形成细小晶粒和弥散分布的碳化物。但工艺参数的微小变化可能导致组织显著差异，因此需要建立严格的工艺窗口和质量控制标准。

对于锅炉制造和修复企业而言，掌握高C高Cr堆焊层的组织-性能关系和工艺控制要点，是提高耐磨修复质量和寿命的关键。同时，应建立完善的现场检测手段（如硬度测试、金相分析、摩擦磨损试验），确保修复质量满足设计要求和使用寿命预期。