等离子堆焊双送粉制备Ni60A/WC复合涂层的组织与性能学习体会

文献概况与技术背景

马朝阳等人在《金属热处理》2025年第50卷第10期发表的这篇论文，针对等离子堆焊Ni60A/WC复合涂层制备中的送粉方式问题，创新性地建立了双送粉通道工艺。在工业生产中，等离子堆焊是制备高性能耐磨涂层的主要手段之一，但传统内置单送粉方式存在WC颗粒预热不足、熔融不充分以及颗粒分布不均匀等问题。双送粉技术通过外置送粉系统补充WC颗粒，有望改善这些缺陷。

双送粉工艺原理与参数设计

该研究将外置送粉系统与等离子堆焊设备相结合，在H13钢基体上制备Ni60A/WC复合涂层，并与内置单送粉方式进行对比。外置WC送粉量是核心变量，试验设置了多个梯度水平，最终确定8 g/min为最优参数。

微观组织与物相分析

研究通过XRD分析发现，双送粉和单送粉制备的涂层物相组成一致，均包含γ-(Fe,Ni)固溶体、Cr₇C₃、Cr₂₃C₆、Cr₃C₂和Cr₄Ni₁₅W等相。这一结果表明，双送粉工艺并未改变涂层的基本物相组成，而是通过改善WC颗粒的分布均匀性来提升性能。

硬度测试结果显示，双送粉制备的涂层硬度高于单送粉涂层，且随着WC外送粉量的增加，硬度持续提升。这一趋势符合硬质相增强理论——WC颗粒作为高硬度第二相，其体积分数越高、分布越均匀，涂层整体硬度越高。

然而，热疲劳试验揭示了一个重要的工程矛盾：随着WC外送粉量的增加，涂层中出现的裂纹数量也随之增加。热疲劳裂纹主要集中在涂层的熔合线及WC颗粒周围。这一现象的机理在于WC颗粒与Ni60A基体之间的热膨胀系数差异——WC的热膨胀系数约为4.5×10⁻⁶/K，而Ni60A基体约为13×10⁻⁶/K，在热循环载荷下，界面处产生显著的残余应力，成为裂纹萌生和扩展的优先位置。

工艺窗口确定与工程应用考量

研究最终确定WC外送粉量为8 g/min时涂层整体性能最佳，这一结论体现了硬度与抗热疲劳性之间的平衡取舍。在工程应用中，这一参数选择需要根据具体工况进行权衡：

1. 对于以耐磨为主要需求的工况（如轧辊、矿山机械部件），可适当提高WC外送粉量至8-10 g/min，以最大化硬度提升效果，同时通过控制热循环幅度来降低热疲劳风险。
2. 对于兼具耐磨和抗热疲劳需求的工况（如热加工模具），应严格控制在8 g/min以下，必要时采用多层堆焊策略，在WC含量高的外层下方设置WC含量较低的过渡层。
3. 熔合线区域的裂纹问题需要通过优化热输入来缓解。建议采用较低的热输入参数（如电弧功率3-5 kW，焊接速度5-8 mm/s），减少熔合线区域的温度梯度和残余应力。

双送粉技术的工程实施要点

从工程实施角度，双送粉工艺的成功应用需要关注以下技术要点：

• 外置送粉系统与等离子弧的相对位置必须精确控制，确保WC颗粒进入熔池前获得充分预热，避免冷颗粒落入熔池导致未熔合或飞溅。
• 外置送粉角度建议控制在45°-60°范围内，既保证颗粒有效进入熔池，又避免对电弧产生干扰。
• 送粉量与焊接速度的匹配关系需要建立经验公式，不同基体材料、不同涂层厚度要求下的参数组合需要通过正交试验确定。
• 多层堆焊时，层间温度控制至关重要。层间温度过高会导致前层WC颗粒进一步稀释，层间温度过低则影响层间结合质量。建议层间温度控制在200-300℃。

学习心得与启示

这篇文献让我认识到，等离子堆焊工艺的创新不仅体现在设备层面，更体现在工艺参数的精细化调控上。双送粉技术看似简单，实则涉及送粉动力学、熔池流动学和冶金学的深度耦合。WC颗粒在熔池中的行为——是否充分预热、是否均匀分布、是否与基体形成良好冶金结合——每一个环节都影响着最终涂层性能。特别是热疲劳试验揭示的硬度与抗裂纹性之间的矛盾，提醒我们在工程实践中不能片面追求单一性能指标，而必须进行多目标优化。对于从事耐磨涂层工程的技术人员而言，理解WC颗粒在熔池中的命运，是掌握等离子堆焊工艺精髓的关键。