球形碳化钨增强钴基堆焊涂层低温耐磨性文献学习体会

文献概况与极地工程背景

本文发表于2022年《表面技术》第51卷第2期，由上海海事大学石亮、陈坤等与广州航海学院合作完成，受国家重点研发计划、国家自然科学基金及浦东新区科技项目资助。研究利用等离子转移弧堆焊（Plasma Transfer Arc Surfacing, PTAS）技术在低温钢E32表面堆焊制备了三组不同球形碳化钨（WC）含量的钴基涂层，系统研究了WC含量对涂层显微组织、硬度及低温（-20℃）摩擦磨损性能的影响规律。

极地航行的兴起对船舶用钢提出了新的要求。极地水域的低温环境（-20℃至-40℃）使普通船板钢的冲击韧性急剧下降，磨蚀与低温脆断成为极地船舶的主要失效模式。E32钢（对应GB/T 709中的Q320或类似牌号）是常用的低温船板钢，但其耐磨性在极地冰区航行中严重不足。通过表面堆焊改性提升低温耐磨性，是延长极地船舶服役寿命的有效途径之一。

涂层组织与增强相分析

增强相的识别

文献通过XRD、SEM与EDS分析，在涂层中识别出以下主要增强相：

球形WC颗粒的选用是本文的关键创新之一。与常规不规则WC颗粒相比，球形WC在熔池中的流动性更好，分布更均匀，不易产生应力集中，有利于提高涂层的致密性与韧性。

WC含量对组织的影响

随着WC含量从0%增加到30%再到60%，涂层中的碳化物体积分数显著增加，基体中的Co固溶体含量相应减少。60% WC含量时，涂层中WC与W2C等硬质相占据主导地位，基体相被碳化物网络包围，形成典型的"硬质相增强"结构。

低温摩擦磨损性能

试验条件与结果

试验在-20℃条件下进行，载荷50 N，滑动速度20 mm/s，干滑动摩擦2 h。结果表明，三组涂层较E32基体的摩擦系数和体积磨损率均显著下降，磨痕宽度和深度均减小。

值得注意的是，未添加WC的钴基涂层的主要磨损机理仍为磨粒磨损和粘着磨损，而WC含量为30%和60%时，主要磨损机理转变为三体磨粒磨损。这一转变具有重要的工程意义：三体磨粒磨损的磨损率通常低于二体磨粒磨损和粘着磨损，表明硬质碳化物相的有效参与改变了磨损机制。

磨损机理分析

• 磨粒磨损：硬质颗粒（如冰晶、砂粒）在摩擦表面犁沟，导致材料去除；
• 粘着磨损：摩擦表面在高压下发生局部冷焊，随后被撕裂，造成材料转移；
• 三体磨粒磨损：硬质颗粒悬浮于摩擦界面之间，在两个表面之间滚动或滑动，磨损率取决于颗粒硬度与基体硬度的比值。

当WC含量足够高时，涂层表面硬度超过环境磨粒硬度，磨粒不再能有效犁沟基体，磨损机制由"犁沟主导"转变为"三体磨粒主导"，磨损率显著降低。

学习心得与工程启示

该文献为极地船舶用钢的表面改性提供了重要的技术依据。在-20℃的低温条件下，材料的断裂韧性下降，磨损行为也发生变化。球形WC增强钴基涂层通过引入高硬度碳化物相，有效提升了低温耐磨性，且涂层结构致密，与基体结合良好。

从工程实践角度，该技术的推广应用需注意以下问题：

1. WC含量并非越高越好：过高的WC含量可能导致涂层脆性增大，在冲击载荷下易发生剥落。30%～60%的WC含量范围需根据具体服役工况选择；
2. 堆焊层厚度控制：极地船舶船板的堆焊修复层厚度通常控制在3～5 mm，过厚则易产生层间裂纹，过薄则耐磨寿命不足；
3. 焊后热处理：钴基涂层通常需要进行焊后热处理以消除残余应力并优化碳化物分布，但低温钢基体的热处理温度窗口较窄，需严格控制；
4. 涂层与基体的热膨胀匹配：WC与钴基体的热膨胀系数差异可能导致温度循环下界面应力增大，需通过工艺优化加以控制。

该研究为极地特殊船板的焊补和延寿技术提供了试验依据，其"球形WC增强+钴基体"的技术路线在低温耐磨涂层领域具有广阔的推广应用前景。

以上五篇文献学习体会涵盖了堆焊焊条开发、铝合金堆焊改性、核级不锈钢腐蚀评价、高温封严涂层设计以及极地低温耐磨涂层等多个技术方向，共同展示了堆焊技术在材料表面强化与功能化方面的丰富内涵与工程价值。从冶金原理到工艺优化，从实验室研究到工程应用，堆焊技术始终是焊接工程与材料工程交叉领域的重要研究方向。希望这些学习体会能为同行技术人员在相关领域的研究与实践中提供有益的参考与启发。