CMT堆焊15-5PH工艺参数优化与组织性能研究——文献学习体会

文献概况与研究动机

本文发表于《精密成形工程》2026年第18卷第7期，由中海油能源发展装备技术有限公司湛江分公司赖书斌、西安石油大学机械工程学院刘浩然等多位作者合作完成，受多项科研项目资助。研究针对CMT（冷金属过渡）堆焊15-5PH马氏体沉淀硬化不锈钢的工艺参数优化缺乏试验数据支撑的问题，系统研究了送丝速度与堆焊速度对堆焊层成形质量、微观组织和力学性能的影响规律。

15-5PH是一种重要的马氏体沉淀硬化不锈钢，广泛应用于海洋工程、石油天然气装备等领域。CMT工艺以其低热输入、低稀释率、成形美观等优势，在堆焊修复领域具有广阔的应用前景，但针对15-5PH这类高合金钢的CMT堆焊工艺参数尚缺乏系统研究。

工艺参数对成形质量的影响规律

文献通过单道堆焊试验，厘清了送丝速度与堆焊速度对单焊道成形质量的影响规律。当堆焊速度恒定时，随着送丝速度增加，单焊道宽度增大、高度先升后降。当送丝速度恒定时，随堆焊速度的增加，单焊道宽度、高度均降低。随送丝速度的增加，堆焊层表面波纹度和稀释率均先减小后增大。

这一发现揭示了一个重要的工艺窗口特征：送丝速度存在一个最优区间，过低或过高均会导致成形质量下降。从工程实践角度分析，送丝速度过低时熔敷率不足，堆焊层覆盖不完全；送丝速度过高时电弧不稳定，稀释率增大，基体母材对堆焊层成分的影响加剧。

微观组织与力学性能分析

在CMT工艺参数窗口内开展的多道堆焊试验显示，堆焊层主要由等轴马氏体、少量的柱状马氏体、铁素体和球状碳化物组成。随送丝速度的增加，晶粒尺寸逐渐增大，堆焊层的抗拉强度逐渐增大，显微硬度呈波动变化，伸长率变化不明显。

当送丝速度为7 m/min、堆焊速度为5 mm/s时，堆焊层具有良好的成形质量、较高的硬度、相对最优的拉伸性能。这一工艺参数组合可作为CMT堆焊15-5PH的推荐参数。

从金相分析角度解读，等轴马氏体的形成与CMT工艺的低热输入特性密切相关。低热输入使熔池冷却速率较高，有利于马氏体转变；同时，CMT工艺的摆动送丝方式使熔池温度分布均匀，减少了柱状晶的生长空间，促进了等轴晶的形成。铁素体的存在虽然对硬度贡献有限，但有助于改善堆焊层的韧性，防止马氏体脆性断裂。

工程实践建议与思考

对于从事CMT堆焊15-5PH的技术人员，本文提供了以下实用建议。第一，工艺参数选择应优先考虑送丝速度7 m/min、堆焊速度5 mm/s这一优化窗口，在此基础上根据实际堆焊厚度进行微调。第二，多道堆焊时应严格控制层间温度，避免过高的层间温度导致晶粒粗化和碳化物聚集。第三，堆焊后应及时进行固溶处理（1010~1040°C）和时效处理（480~540°C），以充分发挥15-5PH的沉淀硬化效果，获得最佳的强韧性匹配。

本文的研究方法体现了PDCA循环的思想——先通过单因素试验确定工艺参数窗口（Plan-Do），再通过多道堆焊验证工艺参数对形性的综合影响（Check-Act）。这种系统化的研究路径值得在后续的工艺开发中推广应用。