随着港口码头的快速发展，深水航道的建设和航道维护，江河湖泊的清淤治理以及海洋资源的开发，每年的疏浚量非常大^[1,2,3]。而疏浚过程中，因疏浚作业环境苛刻，疏浚机具过流部件如绞刀、耙齿、泵壳、叶轮和泥管等受疏浚泥沙磨损相当严重^[4,5]。由于这些疏浚过流部件磨损快、维修或更换频率高，致使疏浚效率及施工进度受到严重影响，并导致疏浚成本升高、综合效益降低。为了提高疏浚机具易损部件的耐磨性，延长其使用寿命，人们常采用堆焊、喷涂或者化学热处理等传统表面工程技术在这些部件表面制备高耐磨涂层或硬改性层，但终因过高的热量输入易导致部件变形、涂层与部件之间的结合力差、涂层质量不高或者改性层薄等原因，改性效果有限。等离子熔覆方法与这些传统表面工程技术相比，不仅可以克服以上缺点，而且操作简便、效率高、材料适应范围广，在耐磨构件的制备与修复方面具有广泛应用前景^[6,7]。因此，可以尝试采用等离子熔覆方法来制备耐磨涂层以改善这些过流部件的耐磨性能。

目前，等离子熔覆耐磨涂层主要包括镍基、钴基和铁基涂层^[6,8,9]，其中，铁基熔覆层因成本相对较低，且硬度和耐磨性良好，近年来受到了越来越多的关注。为了进一步增强熔覆层的耐磨性，熔覆层中常加入有陶瓷强化相，其中WC因耐磨性高、高温性能稳定、与熔化的Ni基、Co基、Fe基金属润湿性良好，而成为最常用的强化相之一^[10,11,12]。至今为止，WC增强熔覆层研究主要集中于镍基激光熔覆层^{[13,14,15,16]}，而有关等离子熔覆WC增强铁基合金熔覆层的研究报道较少。从工程应用经济角度出发，高耐磨性的等离子熔覆WC增强铁基合金涂层的研制更具商用价值。因此，文中以Fe901合金粉和WC-Co粉为原料，采用等离子熔覆方法在Q235钢基体上制备WC增强铁基合金涂层，并研究了WC-Co添加量对涂层显微组织结构、显微硬度以及湿砂磨损性能的影响。 1 试 验 1.1 试样制备

Q235钢作为基体材料，基体尺寸为57 mm×25.5 mm×6 mm。熔覆试验前，对基体表面进行喷砂处理以除锈，然后将其置于丙酮中用超声波清洗15 min以除油，取出吹干备用。熔覆所用粉体由Fe901合金粉(各成分质量分数为：1.2% Si、1.6% B、13.0% Cr、0.8% Mo、余量Fe；粒度：44~104 μm)和WC-Co粉(质量分数：88% WC、12% Co；粒度：44~74 μm)均匀混合而成，其中WC-Co粉的添加质量分别为10%、20%和30%。将熔覆粉体与适量聚乙烯醇粘结剂搅拌均匀后，涂覆于经过处理的Q235钢基体表面，预涂覆层尺寸约为57 mm×9 mm×2 mm，为了除去预涂覆层中的湿气以及增强预涂覆层与基体之间的结合力，将试样在室温大气环境中放置48 h，然后在LHD-300型等离子弧熔覆处理设备上于表 1所示的工艺参数条件下对预涂覆层进行熔覆处理。由于等离子弧宽度为7 mm，为了满足磨损试验对熔覆涂层宽度的要求，磨损试样采用了双道熔覆，熔覆搭接率约为30%。磨损试验前，对试样熔覆层表面进行磨平并抛光处理。

因熔覆层质量与熔覆前预处理、熔覆参数的选择密切相关，为避免熔覆过程中等离子弧吹散预覆粉，以获得高质量熔覆层，经多次试验比较，对预涂覆层宽度、预涂覆层质量(包括：与基体结合强度、预覆粉密实度和粘结度)以及熔覆处理参数进行了优化，文中所给试验参数均为优化参数。 1.2 表征与分析

利用X射线衍射仪(Cu Kα)对熔覆层进行物相分析，借助扫描电镜对熔覆层截面微观形貌进行观察，并结合Horiba-EX250能谱仪对熔覆层中微区成分进行分析。熔覆层显微硬度测试在HXD-1000TC型显微硬度计上进行，载荷200 g，加载时间15 s，最终所示的显微硬度值均为5次测量值的平均值。磨损试验于MLS-225型湿砂橡胶轮磨损试验机上进行，橡胶轮直径为178 mm，磨损介质由1 000 g水和1 500 g石英砂混合而成，石英砂的粒度为200~420 μm，载荷为100 N，橡胶轮转速为182 r/min，磨损时间为10 min。 2 结果与讨论 2.1 熔覆层的结构

图 1所示的是WC增强Fe基合金熔覆层的XRD谱。由图可知，熔覆层的相结构与WC-Co添加量密切相关，WC-Co添加量为10%时，熔覆层的主要相为α-Fe，随着WC-Co添加量增加，熔覆层中(Cr,Fe)₂₃C₆、Fe₆W₆C相含量逐渐增加，WC-Co添加量为30%时，熔覆层主要由α-Fe、Fe₆W₆C、(Cr,Fe)₂₃C₆和WC相组成。这表明在等离子熔覆过程中存在WC分解现象。

图 1 WC增强Fe基合金熔覆层的XRD图谱 Fig. 1 XRD patterns of the Fe-based alloy clad coatings reinforced with WC

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图 2所示的是WC增强Fe基合金熔覆层沿层深方向的显微组织形貌。图 3所示的是熔覆层截面局部区域放大的显微形貌。由图可以看出，熔覆层显微组织形貌从熔覆层与基体界面结合处至熔覆层上部逐渐发生改变，即由平面晶转变为树枝晶再转变为胞状晶，且熔覆层底部的树枝晶随WC-Co添加量增加而细化。对树枝晶/胞状晶以及枝晶间成分进行分析，结果如表 2所示。由表可以发现，同一熔覆层中树枝晶/胞状晶的含Fe量远高于枝晶间组织的含Fe量，但其Cr、W和C的含量却小于后者。随着WC-Co添加量增加，熔覆层中树枝晶/胞状晶的Fe、Cr含量单调减小，W和C含量单调增大。枝晶间组织的Fe、W含量随WC-Co添加量的变化规律与树枝晶/胞状晶中的Fe、W含量变化规律相似。在添加30%WC-Co的熔覆层中还可以看到，枝晶间呈现白色与浅灰色区域交替分布，且浅灰色区的合金元素Cr、W和C含量均较白色区高。结合XRD以及EDS结果，可以推断Fe₆W₆C、(Cr,Fe)₂₃C₆相主要在枝晶间析出，而α-Fe固溶体则主要以树枝晶/胞状晶存在，α-Fe 中W和C固溶量随WC-Co添加量增加而增大，WC-Co含量为30%时，其W和C固溶量分别为16.23%和3.05%。在熔覆层底部局部区域可观察到如图 2(c)中内置图所示的白色聚集块，EDS分析显示该聚集块主要成分为W和C，其含量分别为81.72%和6.02%，这说明，在熔覆层底部局部区域有WC下沉。

图 2 WC增强Fe基合金熔覆层截面显微形貌 Fig. 2 Cross section morphologies of the Fe-based alloy clad coatings reinforced with WC

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图 3 WC增强Fe基合金熔覆层截面局部显微形貌 Fig. 3 Cross section morphologies of the part Fe-based alloy clad coatings reinforced with WC

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图 4给出WC增强Fe基合金熔覆层沿层深方向的显微硬度。由图可看出，熔覆层具有较高的显微硬度，其硬度值不低于800 HV_0.2，WC-Co添加量为30%时，熔覆层显微硬度可高达1 100 HV_0.2，且熔覆层的显微硬度随WC-Co添加量增加而增大。这主要是因为，WC-Co含量增加，熔覆层中Fe₆W₆C、(Cr,Fe)₂₃C₆强化相析出量增多，α-Fe的固溶强化效果增强，因而导致熔覆层硬度升高。熔覆层近表面处的显微硬度较其他部分低，可能是由于该处受热相对较多导致WC分解以及合金元素烧损程度更严重，另外WC因密度大易下沉至熔覆层下部也可能对其造成影响。

图 4 WC增强Fe基合金熔覆层显微硬度的深层分布 Fig. 4 Microhardness distribution along the depth direction of the Fe-based alloy clad coatings reinforced with WC

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为了弄清WC增强Fe基合金熔覆层的抗湿砂磨损能力，对熔覆层进行了湿砂橡胶轮磨损试验。熔覆层单位磨损距离的平均磨损量ε按式(1)计算，其中m₁和m₂分别为磨损前后试样的质量，D为橡胶轮直径，v为橡胶轮转速，t为磨损时间，结果如表 3所示。可以看出，熔覆层的抗湿砂磨损能力随WC-Co添加量增加而增强，30% WC-Co的熔覆层单位磨损距离的平均磨损量仅为0.108 1 mg/m，这主要与WC-Co添加量增加导致熔覆层硬度升高有关。图 5给出了熔覆层磨损表面的形貌，可以看出，熔覆层表面存在深浅不一的犁沟，随WC-Co添加量增加，熔覆层表面犁沟数量有所减少，磨损程度减轻。这与熔覆层单位磨损距离的平均磨损量的变化相吻合。在熔覆层磨损表面局部区域还出现如图 5(d)所示的磨损形貌，即犁沟在尺寸约为35~40 μm的白色团聚状物前沿终止。通过对白色团聚状物进行EDS分析，可知其包含Fe、Cr、W、C、Co和O元素，其中W、Fe、C的质量含量分别为76.86%、10.39%和5.62%。结合白色团聚状物的大小和成分，可知其应为未完全分解的WC颗粒。在湿砂橡胶轮磨损过程中，由于WC的高硬度以及高耐磨性，砂粒经过时无法对其产生磨损，因而犁沟在其前沿终止。结合熔覆层磨损形貌可知，WC增强Fe基合金熔覆层湿砂磨损形式主要呈磨粒磨损。

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图 5 WC增强Fe基合金熔覆层磨损形貌 Fig. 5 Worn surface morphologies of the Fe-based alloy clad coatings reinforced with WC

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(1) 等离子熔覆过程中，大部分WC-Co颗粒发生分解，并与Fe、Cr反应形成Fe₆W₆C、(Cr,Fe)₂₃C₆强化相。WC-Co添加量为30%时，熔覆层主要由α-Fe固溶体、Fe₆W₆C、(Cr,Fe)₂₃C₆和WC相组成。

(2) 随WC-Co添加量增加，熔覆层因α-Fe固溶体固溶强化效果增强、Fe₆W₆C和(Cr,Fe)₂₃C₆强化相析出量增大以及WC相的存在，显微硬度单调增加，耐湿砂磨损能力增强，且熔覆层主要呈现磨粒磨损特征。

(3) 熔覆层的树枝晶与枝晶间成分存在明显差异，Fe₆W₆C、(Cr,Fe)₂₃C₆相主要析出于枝晶间，而α-Fe固溶体则主要以树枝晶/胞状晶存在。