卓金管件有限公司等离子弧堆焊WC增强镍基堆焊层组织及耐磨性的学习体会
文献概况与选题背景
本文出自刘治宇等沈阳工业大学团队，发表于2023年《热加工工艺》第52卷第17期。研究采用等离子堆焊在Q235钢板上制备了不同WC含量的镍基合金堆焊层，系统研究了WC添加量对堆焊层物相组成、微观组织、维氏硬度和耐磨性的影响规律。
实验设计与WC添加量梯度
试验条件概述
| 参数项目 | 具体条件 |
|---|---|
| 基体材料 | Q235碳素结构钢 |
| 堆焊工艺 | 等离子弧堆焊（PAW） |
| 堆焊合金基体 | 镍基合金 |
| 增强相 | WC（碳化钨） |
| WC添加量梯度 | 多个含量水平（含30wt%关键点） |
| 硬度测试 | 维氏硬度（HV0.5） |
| 磨损测试 | 室温磨损失重 |
不同WC含量下的性能对比
| WC含量（wt%） | 主要物相 | 平均硬度（HV0.5） | 磨损失重（mg） | 共晶组织形态 |
|---|---|---|---|---|
| 较低含量 | γ-Ni、M₂₃C₆、Cr₇C₃ | 相对较低 | 相对较高 | 片层状 |
| 中等含量 | 增加WC、W₂C | 中等 | 中等 | 片层状过渡 |
| 30wt% | γ-Ni、M₂₃C₆、M₆C、Cr₇C₃、WC、W₂C、FeNi₃ | 767.2 | 3.9（最小） | 由片层状向块状转变 |
| 较高含量 | WC含量过高可能导致脆性增大 | 可能下降 | 可能增大 | 块状为主 |
物相分析与组织演变
主要物相的形成机理
堆焊层中出现的多种物相反映了镍基合金与WC之间的复杂冶金反应：
- γ-Ni相：镍基合金的基体相，提供韧性和耐腐蚀性。
- M₂₃C₆相：富铬碳化物，在镍基合金中常见，硬度较高但韧性较低。
- M₆C相：富钼碳化物，如果合金中含有Mo元素，则可能形成。
- Cr₇C₃相：高铬碳化物，硬度极高（约1800 HV），是主要的耐磨强化相之一。
- WC相：原始添加的碳化钨颗粒，在堆焊过程中部分保留、部分分解。
- W₂C相：WC分解后形成的次生碳化物。
- FeNi₃相：Q235钢基体中Fe元素与Ni基体合金化形成的金属间化合物。
WC含量对共晶组织的影响
30wt% WC添加量是一个关键转折点。在此含量下，堆焊层中部的共晶组织开始由片层状向块状发生转变。这一转变具有重要的工程意义：
- 片层状共晶组织：层片间距较小，各相之间结合紧密，但在磨损过程中容易发生层间剥离，导致剥层磨损加剧。
- 块状共晶组织：各相以块状形式独立存在，彼此之间的结合面减少，在磨粒冲击下不易发生层间剥离，抗剥层磨损能力显著增强。
这一组织转变是30wt% WC添加量下堆焊层获得最小磨损失重（3.9 mg）和最小剥层破坏的关键原因。
耐磨机理与剥层磨损分析
剥层磨损机理
室温下堆焊层的磨损机理都以剥层磨损为主。剥层磨损的发生过程如下：
- 磨粒在堆焊层表面产生塑性变形和微裂纹；
- 微裂纹在反复载荷作用下扩展并相互连接；
- 当裂纹网络形成闭合回路后，表层材料以薄片形式剥离；
- 剥离过程反复进行，导致材料持续损失。
WC含量为30wt%时，堆焊层有最小的剥层破坏，这与块状共晶组织的形成密切相关。块状组织中，硬质相（WC、Cr₇C₃）以独立块状形式嵌入基体中，磨粒难以在块状相与基体之间的界面处引发裂纹扩展，从而有效抑制了剥层磨损。
硬度与耐磨性的关系
平均硬度767.2 HV0.5对应最小磨损失重3.9 mg，但硬度并非唯一决定耐磨性的因素。在实际工况下，耐磨性是硬度、韧性、组织均匀性和相界面结合强度的综合体现。WC含量过高时，虽然硬度可能继续升高，但脆性增大，剥层磨损反而加剧，耐磨性下降。
工程应用分析与实践建议
在钢管与管件中的应用场景
镍基合金堆焊层在钢管和管件修复中具有独特优势：
| 应用场景 | 工况特点 | 推荐WC含量 | 堆焊层厚度建议 |
|---|---|---|---|
| 化工管道内壁 | 耐腐蚀+轻度磨蚀 | 20~25wt% | 2~3 mm |
| 矿浆输送管道 | 高磨蚀+中度腐蚀 | 25~30wt% | 3~5 mm |
| 水泥管道 | 高磨蚀+低腐蚀 | 30~35wt% | 4~6 mm |
| 烟气脱硫管道 | 腐蚀+磨蚀复合 | 25~30wt% | 2~4 mm |
工艺参数优化建议
等离子弧堆焊WC增强镍基合金时，需注意以下工艺要点：
- 焊接电流：控制在适当范围，避免WC颗粒的过度烧损。WC的熔点为2870°C，远高于镍基合金的熔点（约1300~1400°C），但WC在熔池中会溶解分解。
- 送粉速度：与焊接电流匹配，确保WC颗粒的均匀分布。
- 焊接速度：影响熔池停留时间和WC颗粒的溶解程度。
- 保护气体：采用Ar或Ar+He混合气体，防止氧化和氮化。
关键疑问与深入思考
该研究在室温条件下进行了磨损试验，但许多工程应用工况涉及高温环境。在高温条件下，WC颗粒可能发生进一步的分解和粗化，Cr₇C₃碳化物可能发生相变，堆焊层的耐磨性能可能与室温条件下有显著差异。建议在400°C、600°C等典型工况温度下进行高温磨损试验，以获得更全面的性能数据。
另外，WC含量为30wt%时共晶组织由片层状向块状转变的临界点，是否受其他因素的影响，如冷却速率、合金成分微调等？在实际生产中，通过调整焊接参数改变冷却速率，可能使该临界点发生偏移，从而为工艺优化提供新的思路。
学习心得与启示
通过研读该文献，我深刻认识到WC增强镍基合金堆焊层中，WC含量并非越多越好。30wt%的WC添加量是一个重要的工艺窗口，在此含量下，共晶组织发生由片层状向块状的转变，显著提升了抗剥层磨损能力。在实际的钢管修复工程中，应通过系统的试验确定最优WC含量，而非简单地追求高WC含量。同时，等离子弧堆焊工艺在精确控制合金成分和堆焊层厚度方面具有明显优势，适合对堆焊层质量要求较高的修复场景。