《Surface and Coatings Technology》：Microstructural characterisation of multi-pass Stellite-6 hardfacings developed by pulsed GMAW technique
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本研究采用脉冲GMAW工艺在304不锈钢基板上沉积Stellite 6涂层，通过调整送丝速度和行走速度保持单位长度电弧能量恒定，分析不同沉积率下的涂层性能。微观表征显示涂层由Co基固溶体和Cr富集碳化物组成，硬度达400-450 HV0.2，无裂纹、气孔等缺陷，验证了脉冲GMAW作为经济便携的硬面处理替代方案的可行性。
Md Sharique Ansari | Murugaiyan Amirthalingam | Gautam Agarwal
印度理工学院鲁尔基分校冶金与材料工程系，鲁尔基，247667，北阿坎德邦，印度
摘要
Stellite 6 主要通过激光熔覆和等离子转移弧焊进行沉积。然而，这些工艺在初始设置成本、工艺复杂性和便携性方面存在局限性。脉冲GMAW（Plasma Transferred Arc Welding）提供了一种比传统方法更具成本效益的替代方案，但尚未得到充分研究。在本研究中，我们在AISI 304基板上沉积了三种尺寸为60 mm2的硬质涂层，沉积速率不同，同时保持单位长度的恒定电弧能量。未观察到裂纹、气孔和未熔合等缺陷。使用不同的技术进行了深入的表征分析。沉积物显示出相似的微观结构特征：主要树枝晶由Co和Fe的固溶体基质组成，而树枝晶间区域则由富铬碳化物和富Co固溶体构成。观察到两种不同形态的碳化物：一种呈层状，另一种则呈片状颗粒，靠近层状碳化物的地方呈现出玫瑰花结状结构。透射电子显微镜显示这两种碳化物均为Cr?C?，这是由于共晶反应形成的。沉积物的硬度在400–450 HV?.?范围内，与需要高电弧能量的传统工艺相当。与裸露的基材相比，硬质涂层显著提高了耐磨性能。这些发现突显了脉冲GMAW作为传统工艺替代方案的潜力，特别是在需要便携性和移动性的应用中。
引言
在当今的工业环境中，对机械组件的操作要求日益增加。其中一些组件会暴露在极端温度、腐蚀性环境和高摩擦条件下，它们必须可靠地工作，不能发生故障或失去预期功能。航空航天、发电厂、石油和核工业等领域的各种应用会导致材料退化，如磨损、侵蚀和腐蚀[1]。这些极端条件加速的材料失效给经济带来了显著负担，表现为增加的材料维护成本、频繁的组件更换以及降低的操作效率[2]、[3]。为了应对这些挑战并提高组件在上述条件下的耐用性，硬质涂层已成为一种有效的解决方案[4]。硬质涂层可以定义为通过焊接堆叠或热喷涂在组件表面施加一种坚硬且耐磨的材料，以减少使用过程中的磨损[5]。
AISI 304是最广泛使用的奥氏体不锈钢之一。由于其良好的整体抗腐蚀性、易于加工和良好的焊接性，它被广泛应用于航空航天、运输、生物医学和石化工业[6]、[7]。AISI 304钢中添加高Cr含量可提供对正常环境下的晶间腐蚀的抵抗力。然而，在水和氯离子（Cl?）的作用下，如海水中，AISI 304会发生局部点蚀[8]。它通常以退火状态使用，这会降低其硬度和耐磨性[9]。这使得它在严重磨损条件下（如阀门座和泵轴）的应用变得不适宜，除非进行表面改性[10]。为了改善AISI 304在恶劣环境下的耐磨和抗腐蚀性能，通常会对其进行表面涂层处理[11]、[12]。基于Co的合金，特别是Stellite?系列合金，因其出色的性能组合（包括高材料强度和在广泛环境下的增强抗腐蚀和耐磨性）而受到青睐。Stellite 6是一种Co-Cr-W-C合金，广泛用作硬质涂层和堆叠材料，以保护底层基材免受腐蚀和磨损[13]。Stellite 6的典型微观结构由富含Co的固溶体（含有Fe和W等元素）构成，而树枝晶间区域则由富Cr碳化物（Cr?C?、Cr?C?和Cr??C?）和富Co相组成[14]。
硬质涂层材料可以通过多种技术沉积，如热喷涂、熔覆和焊接[4]。通常使用激光或电弧等集中能量源来熔化并沉积硬质涂层材料[15]、[16]、[17]、[18]。文献表明，大多数关于Stellite 6硬质涂层的研究集中在激光熔覆或等离子转移弧焊上[19]、[20]、[21]、[22]。激光熔覆由于工艺中涉及的高冷却速率，能够提供良好的熔合和冶金结合，沉积物硬度较高[23]、[24]。然而，高冷却速率往往会导致沉积物出现裂纹和较高的残余应力[25]、[26]。沉积速率通常限制在0.2–7 kg/h，涂层厚度也仅几百微米，远低于其他工艺[16]、[19]、[27]。等离子转移弧焊（PTAW）常用于大型组件的厚涂层制备[28]、[29]，但其沉积效率仍低于其他气体金属弧焊（GMAW）工艺[30]。PTAW沉积速率可达2.5–6.5 kg/h，而GMAW工艺的沉积速率可高达4.5–9.0 kg/h[31]。此外，在较高电流下操作时，高热输入可能会改变基材。此外，PTAW硬质涂层的操作较为复杂，需要额外的设置和成本[21]、[29]。
基于GMAW的工艺在设备成本、材料处理、便携性和多功能性方面具有优势。文献中，多个研究小组已经使用GMAW工艺在不同基材上沉积了各种硬质涂层，并取得了与其他工艺相当的结果[31]、[32]、[33]。研究人员指出，由于其上述优点，基于GMAW的硬质涂层可用于在服役过程中修复磨损的涂层和组件[34]。然而，由于传统GMAW工艺过程中会发生显著的稀释，其应用受到限制[35]、[36]、[37]。通过改进工艺（如冷金属转移（CMT）和脉冲GMAW）可以减少传统GMAW过程中的稀释问题[38]、[39]。特别是脉冲GMAW工艺在这方面非常有效，其平均电流值较低（约100–170 A），同时仍保持较高的生产率[40]。在脉冲GMAW中，金属滴通过滴喷模式传输，可以通过使用脉冲电流而不是固定电流值来实现较低的平均电流[41]、[42]。
尽管有这些优点，但脉冲GMAW工艺在硬质涂层应用中的使用尚未得到广泛探索。据作者所知，尚未研究使用脉冲GMAW替代其他商业可用方法对Stellite 6进行硬质涂层处理。在本研究中，使用三组不同的参数通过脉冲GMAW在AISI 304基板上沉积了Stellite 6。通过调整送丝速度（WFR）和行进速度，在获得瞬态电流电压波形后，保持了单位长度的恒定电弧能量。研究了沉积速率对无缺陷沉积的影响。此外，还使用光学显微镜、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）进行了深入的微观结构分析。为了评估硬质涂层的性能，还进行了硬度测试。
材料使用
使用直径为1.2毫米的商用Stellite 6金属芯线，在尺寸为100 mm × 50 mm × 5 mm的AISI 304钢基板上沉积了80毫米长的单条轨道。分析单条轨道后，在基板上沉积了60 mm × 60 mm面积的涂层。表1显示了Stellite 6线材和基材材料的化学成分。沉积前，所有基板表面均用带式研磨机打磨平整，并进行了清洁
电流-电压波形
为了理解金属滴的传输过程并计算沉积过程中的电弧能量，分析了电流-电压波形。图3（a-c分别为S1、S2和S3的单条轨道的电流波形，d-f分别为S1、S2和S3的电压波形）展示了单条轨道S1、S2和S3在六个周期内的瞬态电流-电压波形。随着WFR的增加，峰值电流（约420 A）和基值电流（约40 A）保持不变
结论
使用脉冲GMAW工艺成功在AISI 304钢上沉积了Stellite 6硬质涂层，采用了三组不同的参数。在所有情况下，都实现了良好的冶金结合和无缺陷的连续沉积（无气孔、未熔合和裂纹）。分析了沉积特性，如电流-电压波形、线性热输入计算和沉积物的几何特征。进行了深入和全面的微观结构研究
CRediT作者贡献声明
Md Sharique Ansari：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。Murugaiyan Amirthalingam：撰写——审阅与编辑、方法论。Gautam Agarwal：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法论、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者感谢Sourav Das博士（IIT Roorkee的MMED部门）通过SERB项目CRG/2023/002390提供的磨损测试设施。感谢Manovah David博士（IIT Roorkee的MMED部门）在HR-TEM研究中的协助。GA感谢IIT Roorkee项目的资助（项目编号FIG-100932）。
