固溶时效对等离子堆焊WCp/18Ni300钢复合涂层组织与性能的影响——文献学习体会

一、文献概况与选题背景

本文发表于《焊接学报》2020年第41卷第11期，作者团队来自广东工业大学与广东省焊接技术研究所。研究采用等离子堆焊技术在Cr5钢表面制备WC增强18Ni300钢复合涂层，系统考察了WC添加量（25%和35%）及固溶时效热处理（900℃×1h + 490℃×5h）对堆焊层组织与耐磨性能的影响。该研究选题具有明确的工程导向——Cr5钢广泛用于矿山机械、模具及耐磨部件，其表面耐磨性不足是制约服役寿命的关键瓶颈，而WC颗粒增强复合涂层是提升耐磨性能的主流技术路线之一。

二、核心工艺路线与技术参数

2.1 等离子堆焊工艺参数窗口

等离子弧堆焊（Plasma Transfer Surfacing, PTS）的核心优势在于熔池温度高、稀释率低、层间结合强度高。本研究中选用球形WC颗粒作为增强相，球形颗粒相较于不规则颗粒具有更优的流动性与均匀分布特性，有利于减少堆焊层中的缺陷。18Ni300钢（马氏体时效钢）粉末作为基体材料，其室温组织为软化马氏体，需经时效处理才能获得高强度。

2.2 WC添加量对组织的影响机理

研究结果表明，WC颗粒的加入显著改变了堆焊层的相组成。未添加WC的基体试样堆焊层以马氏体为主，而添加WC后的复合堆焊层则以奥氏体为主。这一现象可从以下机理理解：WC颗粒作为强碳化物，在快速凝固过程中充当异质形核质点，促进奥氏体的形核与稳定化；同时WC的加入改变了熔池的碳活度，使碳元素在奥氏体中的固溶度提高，从而抑制了马氏体相变。

三、固溶时效热处理的组织演变与相变过程

3.1 热处理前后组织对比分析

固溶时效处理对基体试样和WC/MS300复合试样产生了截然不同的效果，这是本文最核心的发现之一。

基体试样经固溶时效后硬度和耐磨性下降，这一现象看似反常，实则可从马氏体时效钢的时效机理理解：18Ni300钢在时效过程中析出Ni₃N、Ni₄N等纳米级氮化物，但由于WC的缺失，时效析出相的密度不足以补偿高温固溶后马氏体回火软化带来的硬度损失。

而WC/MS300试样中，WC颗粒在900℃固溶过程中与基体发生界面反应，形成扩散层。在后续490℃时效过程中，γ-F转变为α-Fe，WC颗粒周围形成的扩散层显著改善了界面结合强度。35%WC试样耐磨性能最佳，说明WC含量在25%~35%区间内存在最优值。

3.2 扩散层形成的微观机制

固溶时效后WC颗粒周围形成厚扩散层是本文的关键微观发现。WC在900℃高温下与铁基体发生固溶反应，W和C元素向基体扩散，Fe元素向WC颗粒内部扩散，形成Fe₂W、Fe₆W₄C等过渡相。这一扩散层的形成不仅增强了WC颗粒与基体的冶金结合，还在时效过程中提供了额外的强化机制。

四、工程实践启示与技术反思

4.1 对耐磨堆焊工艺的指导意义

本文的研究成果为WC增强复合涂层的工艺优化提供了重要参考。在实际生产中，WC含量并非越高越好，需在耐磨性与堆焊层韧性之间取得平衡。35%WC试样虽然耐磨性最佳，但需关注其脆性增加可能带来的剥落风险。建议在工程应用中通过弯曲试验或冲击试验评估堆焊层的韧性储备。

4.2 热处理制度的工艺窗口选择

固溶温度900℃的选择处于WC与铁基体发生明显界面反应的临界温度附近，时效温度490℃则对应18Ni300钢的最佳时效温度区间。在实际生产中，若堆焊层厚度较大，需考虑热处理过程中的热应力和变形控制，建议采用分级升温、分段保温的工艺策略，避免急冷急热导致的层间开裂。

4.3 与钢管行业的应用关联

虽然本文研究对象为Cr5钢表面的耐磨涂层，但等离子堆焊WC增强复合涂层的技术思路同样适用于钢管内壁耐磨处理、阀门密封面修复以及管道内衬耐磨层制备。特别是在高含砂流体输送管道中，内壁WC增强涂层的耐磨寿命可较普通堆焊层提升数倍。

五、总结

本文通过系统的等离子堆焊工艺与热处理实验，揭示了WC颗粒添加量与固溶时效处理对18Ni300钢复合涂层组织演变的协同影响机制。核心发现在于WC颗粒的存在改变了堆焊层的相组成（由马氏体主导转变为奥氏体主导），并通过固溶时效过程中的γ→α-Fe转变实现硬度和耐磨性的显著提升。WC颗粒周围扩散层的形成是改善界面结合的关键微观机制。该研究为WC增强耐磨复合涂层的成分设计与热处理工艺优化提供了坚实的理论依据和实验数据支撑，对耐磨堆焊技术在矿山机械、管道内衬及模具修复等领域的应用具有重要的工程参考价值。