電流對等離子堆焊WCp/Ni60復合層組織與性能的影響

郭洋　陳興東　黃嵐　范華　張建勛

摘要：分析不同轉移弧電流下等離子堆焊制備的WCp/Ni60復合層的組織與硬度，研究轉移弧電流對WCp/Ni60復合層的影響。通過控制轉移弧電流，在Q235碳鋼板上等離子堆焊Ni60+25%WC（鑄造）粉末，在合理的工藝條件下獲得了成形良好、無裂紋的等離子熔覆層;熔覆層硬度與等離子堆焊的轉移弧電流的大小成正相關，當轉移弧電流控制在135 A時，硬度達到590 HV5以上。不同轉移弧電流下等離子堆焊WCp/Ni60復合熔覆層均出現了明顯的分層現象，上層鎳基固溶體與鎳基共晶組織分布著粗大星狀和針狀Cr23C6，下層中WC顆粒在截面面積比例由165 A下的約15%增加到135 A電流下的約40%。

關鍵詞：WCp/Ni60復合層;等離子堆焊;轉移弧電流;組織;熔覆層

中圖分類號：TG456.2文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）04-0089-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.15

0 前言

WC顆粒增強鎳基合金（簡稱WCp/Ni基合金）的復合層兼具WC顆粒的良好耐磨性能和鎳基合金的耐蝕、抗氧化性能，且WC顆粒與鎳基合金界面致密、結合強度高[1]。其中，Ni基自熔合金具有良好的潤濕性、耐磨性、耐腐燭、韌性[2]，價格適中，適用于局部要求耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的零部件，廣泛用于刀具、汽輪機、滾軸、擠壓機、活塞桿、抗磨板等[3]。而鑄造WC具有硬度極高、成本低、與基材潤濕性好的特點，將其添加到鎳基合金中既可控制成本，又可極大地提高鎳基合金的耐磨粒磨損性能[4]，廣泛用于耐磨粒磨損與沖擊載荷同時存在的工況要求的零部件表面功能層[5]，如石化鉆具、礦山液壓支架、刮板運輸機等，可極大地提高在惡劣工況的使用壽命[6]。

WCp/Ni基合金的制備方法有火焰噴焊或噴涂+火焰重熔、激光熔覆[7-8]、等離子堆焊[9-10]等。火焰噴焊或噴涂+火焰重熔方法可以一定程度上結合強度，而且成本低，但是對基材性能的影響明顯、無法制備較厚的涂層。激光熔覆方法可獲得熱影響區小、硬度高的熔覆層，但存在設備成本高、生產成本高、不適合大面積制備等缺點[11]。等離子堆焊工藝具有成本低、熱影響區小、稀釋率低的特點，適合WCp/Ni基合金復合層的制備。

高能量密度的激光熔覆或等離子熔覆方法制備的WCp/Ni基合金熔覆層組織主要是γ-Ni、WC、Cr23C6、W2C等，其主要強化相是高硬度的WC和W2C顆粒強化相[3]。其中，WC顆粒在熔覆層中分布不均勻，WC顆粒在熔池底部分布密度較高[12]，這一問題可通過包覆[13]或減小熔池[14]的方法來改善。采用激光熔覆工藝制備WCp/Ni基合金熔覆層時，發現WC顆粒在熔覆層存在大量燒損，而燒損機制是反應擴散式燒損，主要是在熔池的高溫階段存在WC或W2C與熔池鎳基溶液反應生成M23C6和M6C[15]。在等離子堆焊WCp/Ni基合金時，同樣發現了WC顆粒的溶解現象，同時鎳基WC堆焊層在600 ℃下仍然具有較好的高溫耐磨粒磨損性能[16]，存在鎳基體重元素脫溶析出現象[17]。WCp/Ni基合金的復合層中WC顆粒的含量比例越高，復合層的耐磨性能將逐漸提高，但WC顆粒的含量提高到某一臨界值后，因熔池流動性降低、熔覆性變差，堆焊層耐磨性能及硬度將提高不明顯甚至性能變差[18]。

由于激光熔覆或等離子熔覆的熱源能量密度高，熔覆過程中溫度高，難以避免WC或W2C顆粒燒損等科學難題。為此目前研究主要集中在WCp/Ni基合金的復合層組織、WC顆粒分布、界面反應即對耐磨性影響等方面，研究發現可采取小熱輸入或減小熔池尺寸等手段，這給大尺寸部件工程應用時如何提高生產效率帶來了挑戰。

針對大尺寸、大面積的礦山機械工程部件或大批量生產，采用具有成本優勢的等離子熔覆WCp/Ni基合金的復合層時，轉移弧電流的大小將起決定性作用。為了探索WCp/Ni60復合層的高效率等離子熔覆制備工藝，為石化鉆具、礦山液壓支架表面大面積制備WCp/Ni60復合層的高效率制備工藝的開發提供方向，本文通過分析不同轉移弧電流下的等離子堆焊制備的WCp/Ni60復合層的組織與硬度來研究轉移弧電流對WCp/Ni60復合層的影響。

1 試驗方法與材料

選擇了某品牌的Ni60+25%WC（鑄造）混合型粉末，在熱軋態的δ30 mm×150 mm×150 mm的Q235碳鋼板上采用等離子堆焊制備WCp/Ni60復合層，其中粉末的物料性能與化學成分分別如表1、表2所示。在其他參數不變的前提下，采用不同的轉移弧電流成功地堆焊制備出無裂紋WCp/Ni60復合層，主要工藝參數如表3所示。通過觀察不同焊接電流等離子堆焊的WCp/Ni60復合層金相組織，并測試每隔0.5 mm載荷為5 kg、保載10 s的維氏硬度，以評價轉移弧電流對WCp/Ni60復合層的組織與性能的影響。

2 試驗結果與分析

2.1 等離子堆焊工藝性能

采用不同焊接電流在δ30 mm×150 mm×150 mm鋼板上進行等離子堆焊時，在300 mm長度就出現了粘粉問題。鎳基粉末在等離子堆焊時存在較大飛濺，但因粉末為自熔性合金粉末，熔池流動性好，各焊接電流下的焊縫成形較好，熔覆層厚度約3.5 mm，如圖1所示。

2.2 等離子熔覆層的硬度

不同轉移弧電流下的等離子堆焊WCp/Ni60復合堆焊層的維氏硬度分布如圖2所示。WCp/Ni60復合層硬度遠高于基材Q235硬度，且距熔合線越近，硬度越高，但焊接熱影響區無明顯的硬化現象。在不同轉移弧電流下，WCp/Ni60堆焊層上層的硬度隨著電流的增大而逐漸降低，即堆焊層的硬度基本與等離子堆焊的轉移弧電流大小成正相關。但是在165 A電流以下，堆焊層下層的硬度明顯高于上層，且隨著轉移弧電流的減小，硬度差值越大。當電流為135 A時，堆焊層硬度全部在590 HV5以上，相當于55 HRC以上。

2.3 金相組織

2.3.1 堆焊層組織

不同轉移弧電流下等離子堆焊WCp/Ni60復合堆焊層的金相組織如圖3所示，所有堆焊層組織都出現明顯的分層現象，其中WC顆粒基本全部分布在堆焊層下層約2 mm厚區域，這是因為WC顆粒的密度約16.5 g/mm3，而鎳基合金密度約8 g/mm3，兩種材料密度不同，而堆焊層組織鎳基固溶體γ-Ni與Ni3Si共晶組織分布著星狀Cr7C3和針狀的Cr23C6[6]，下層均勻分布著WC顆粒。所有堆焊層組織都出現了明顯的分層現象，這也是堆焊層硬度出現明顯不同的原因，其中因上層組織為金屬間化合物（Cr7C3、Cr23C6）而非WC陶瓷顆粒，所以其硬度相對較低。

不同轉移弧電流下等離子堆焊WCp/Ni60復合堆焊層的上層組織隨著轉移弧電流的減小，顆粒狀金屬間化合物的顆粒大小逐漸降低，這是因為隨著轉移弧電流的減小，熔池在1 200 ℃以上的高溫下停留時間越短，顆粒狀金屬間化合物的長大時間越短。其中，180 A轉移弧電流下的顆粒狀金屬間化合物為鎳基共晶組織，是以金屬間化合物為晶核生長的，這也是其硬度明顯低于165 A電流的原因。

隨著轉移弧電流的降低，下層堆焊層組織中的WC顆粒分布越來越多，也越來越密。堆焊層中WC顆粒在截面分布比例由165 A下的約15%增加到135 A電流下的約40%。即在熔池中殘留的WC顆粒隨著焊接電流的減小而增多，這是由于WC顆粒在熔池中溶解減少與焊接過程中飛濺減小的共同作用的結果。同時顆粒較大的WC顆粒由于重力而沉在底層，較小的顆粒落在上層，也是一個潛在原因。

對于該Ni-WC粉末的等離子堆焊層，從WC顆粒的分布情況來看，推測其耐磨性應在底層處最好，而WC顆粒較少的上層，硬度降低而具有一定的韌性，這對Ni-WC堆焊層也有一定好處。

2.3.2 熱影響區組織

因不同轉移弧電流相差不是特別大，所得的堆焊層熱影響區組織基本相同，都是典型的焊縫焊接熱影響區組織結構（見圖4），即熔合線附近過熱區為因堆焊層含碳量高而擴散進入基體并隨后緩慢冷卻而形成的珠光體組織，正火區的粗大鐵素體與少量珠光體組織，重結晶區域的鐵素體與少量珠光體組織，以及基材熱軋態條狀分布的碳化物與鐵素體+少量珠光體組織。

3 結論

通過不同轉移弧電流下的等離子堆焊制備WCp/Ni60復合層，并對其工藝性、組織與硬度進行分析，得出結論如下：

（1）通過合理的工藝參數調整，在Q235碳鋼板上可以獲得Ni60+25WC（混合型）粉末的成形良好、無裂紋的等離子堆焊層;但存在不同程度的粘槍問題，對于小面積的等離子堆焊可以實現，若大面積堆焊，還需進一步進行了解與探索。

（2）堆焊層的硬度基本與等離子堆焊的轉移弧電流的大小成正相關，且離熔合線越近硬度越高，轉移弧電流控制在135 A時，硬度可以達到590 HV5以上。

（3）不同轉移弧電流下等離子堆焊WCp/Ni60復合堆焊層都出現了明顯的分層現象，其中WC顆粒基本全部分布在堆焊層的下層約2 mm厚區域，而堆焊層組織鎳基固溶體γ-Ni與Ni3Si共晶組織分布著星狀Cr7C3和針狀Cr23C6，下層均勻分布WC顆粒。不同轉移弧電流下等離子堆焊WCp/Ni60復合堆焊層的上層組織隨著轉移弧電流的減小，顆粒狀金屬間化合物的顆粒大小逐漸降低，但180 A轉移弧電流下的顆粒狀組織為鎳基共晶組織。堆焊層中WC顆粒在截面分布比例由165 A下的約15%增加到135 A電流下的約40%。

（4）不同電流下的熱影響區組織基本相同，但熔合線附近的熱影響區組織出現大量的珠光體組織，這是由于堆焊層中高含碳量在高溫下快速向基體過熱區擴散的結果。

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