等离子弧粉末堆焊技术是由等离子转移弧表面堆焊技术采用等离子弧焊接法中送料装置，用粉末替代焊丝作为填充材料发展而来的一门堆焊技术，具有熔敷率高、稀释率低，堆焊用粉末使用范围广等突出优点^{[1, 2]}。除此，与手工电弧焊和钨极氩弧焊等其他堆焊技术相比，等离子弧粉末堆焊技术采用粉末做堆焊材料可提高合金设计的自由度，使堆焊难熔材料成为可能，从而大幅度提高工件耐磨、耐高温和耐腐蚀性^{[3, 4]}。与激光熔覆相比，其效率更高，操作更方便，成本更低。WC颗粒具有硬度高，耐磨性好的优点，目前很多研究者采用等离子弧堆焊^{[5, 6]}、激光熔覆^{[7, 8]}等方法获得WC增强的镍基和钴基堆焊层。然而镍基合金和钴基合金价格昂贵，无法大规模应用于电解铝厂等实际生产中。高铬铸铁成本低廉，具有良好的抗磨粒磨损性能，同时它还兼有良好的抗高温和抗腐蚀性，经常用于要求材料具有很强耐腐蚀性和磨损性的工业生产中^[9]。同时高铬铸铁与WC润湿角小,且W可以作为一种合金元素用来增加高铬铸铁的硬度和耐磨性而不影响其冲击韧性^[10]，因而可采用等离子弧粉末堆焊工艺制备WC增强的高铬铸铁。

目前高铬铸铁性能研究多采用铸造的方法，如许斌等^[11]采用铸渗工艺获得WC/高铬铸铁复合层并对其组织和耐磨性进行了研究，Kambakas K^[12]等采用改进的砂型铸造制备出性能优异的WC颗粒增强型高铬白口铸铁。事实上采用铸造方法使得高铬铸铁的研究范围受到较大限制^[13]，而关于采用等离子弧粉末堆焊工艺制备WC增强的高铬铸铁的研究很少，特别是专门针对电解铝厂环境中应用的研究几乎没有，因而文中采用等离子弧粉末堆焊技术获得高铬铸铁堆焊层和WC增强型的高铬铸铁堆焊层，并对其组织和性能进行对比研究，探索WC颗粒对高铬铸铁堆焊层的影响，为推动该工艺在工程中尤其是在电解铝厂中的应用提供科学依据。

堆焊基体材料为Q235，尺寸60 mm×40 mm×20 mm。因WC含量过高，堆焊层的耐磨性和耐蚀性反而会降低^[8]，试验堆焊用粉末为高铬铸铁合金粉末和含30%WC的高铬铸铁基粉末，其主要元素成分见表1。

试验设备采用大型龙门式数控等离子弧堆焊机LU-F630-B2500/3500LM-CNC。工艺参数为离子气流量5.0~6.5 L/min，送粉气流量5.0~6.5 L/min，送粉率为50~80 g/min，堆焊电流150 A，堆焊速度500 mm/min。

采用线切割的方法，从堆焊试样沿堆焊条带径向截取试样，抛光腐蚀后，采用Olympus-PMG3型金相显微镜进行显微组织观察；用带有EDAX的FEI SIRION(Netherlands)场发射扫描电子显微镜进行微观形貌和能谱分析。

采用HXS-1000A型数字显微硬度仪在抛光后的堆焊试件横截面上由堆焊层至母材依次取点，测量整个横截面上维氏硬度的变化。加载质量为100 g，加载时间为10 s。

堆焊层摩擦磨损试验用MS-T3000型摩擦磨损试验仪，采用球-盘摩擦模式，摩擦副为GCr15钢球，直径3 mm，表面硬度61~64 HRC；磨损温度为室温，载荷9.8 N，转速为200 r/min，测试时间300 min。

电解腐蚀实验采用“三电极”恒电位法，实验示意图如图1所示。参比电极为甘汞电极(SCE)，辅助电极为铂电极。为了模拟铝液腐蚀的真实电解质环境，电解质溶液采用质量分数为28.9%的AlCl₃水溶液，测试温度为20 ℃。试样的有效面积为0.785 4 cm²(即有效工作面为半径为0.5 cm的圆)，其余非工作面用环氧树脂密封。将试样用丙酮、酒精和蒸馏水冲洗干净，然后将试样浸入腐蚀液中稳定10 min检测其自腐蚀电位。进行阴极和阳极极化，电位扫描速度为0.5 mV/s。

图 1 恒电极法装置的电解腐蚀示意图 Fig. 1 Schematic diagram of electrolytic corrosion by potentiostatic method

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将堆焊层圆片试样置于特制石墨容器中，电解质熔盐为冰晶石-氧化铝，温度为960 ℃，腐蚀时间t=15 h，实验示意图如图2所示。用砂纸将腐蚀结束后的试样表面粘连的电解质清除干净，再在丙酮介质中用超声波清洗，烘干后用精度为1/10 000 g的分析天平称重

图 2 模拟电解铝厂环境的热腐蚀试验示意图 Fig. 2 Schematic diagram of hot corrosion for simulating environment of electrolytic aluminum industries

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图3为高铬铸铁试样和WC增强型高铬铸铁试样剖面熔合线附近的金相显微组织形貌。从图3(a)和图3(c)可以看到，两种试样在涂层与基体的界面处(结合层)呈一道明亮的固溶体亮白线，此白亮层实际上是平面晶，是母材表面的微熔区生长而形成的，这表明堆焊熔池中的液态合金与母材发生熔合，最终凝固后形成良好的冶金结合。沿着堆焊层从下往上，随着凝固界面的推移和液相温度梯度的逐渐减小，凝固速度逐渐增大，成分过冷愈加明显，白亮层平面晶被其他组织形式代替。高铬铸铁堆焊层紧靠白亮层熔合线的组织为柱状枝晶，如图3(a)所示，枝晶主干基本沿着垂直于熔合线的方向即凝固过程中散热最快的方向生长；再往上为等轴枝晶，如图3(b)所示。WC增强型高铬铸铁堆焊层紧邻熔合线的组织以白色块状相为主，再往上白色块状和条状相相间出现，如图3(d)所示。

图 3 高铬铸铁和WC增强型高铬铸铁堆焊层熔合线附近显微组织 Fig. 3 Microstructure around bonding zone of high chromium cast iron and WC reinforced high chromium cast iron surfacing layer

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高铬铸铁试样堆焊层中心处组织由白色的初生相和共晶组织组成，如图4(a)所示，白色初生相呈多边形状、条状和块状等。初生碳化物M₇C₃主要特征是外形为柱状，中心有富铁相^[14]。

图 4 高铬铸铁和WC增强型高铬铸铁堆焊层中心组织 Fig. 4 Microstructure of the central fusion zones of high chromium cast iron and WC reinforced high chromium cast iron surfacing layers

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当金相观察面与棱柱垂直时，其截面呈六边形；当金相观察面与棱柱成一定角度时，观察到的碳化物是不规则多边形或长条状^[14]。M₇C₃相可以从碳化物中心带有的富铁相加以判断，其光学组织如图4(a)所示。

对图4(b)中的块状A相和共晶组织B进行能谱分析，结果如表2所示。A相为含Fe和Cr的碳化物，因而A相为(Fe,Cr)₇C₃，共晶组织B为大量细小碳化物和部分固溶体所构成。当加入WC后，堆焊层中心处组织形态没有太大变化，仍然为六边形和条状的M₇C₃白色相和黑色共晶组织构成，如图4(c)所示。采用image-pro plus对图4(a)和图4(c)进行分析可知，图4(a)中白色初生相面积占图像总面积的30.57%，而图4(c)中白色相占71.20%。显然，WC增强型高铬铸铁由于WC的加入，白色相明显增多，面积分数非常高且间距很小，位于白色相之间的共晶体数量也相应减少。WC增强型高铬铸铁试样堆焊层中心处扫描电镜图像如图4(d)所示，条块状组织E之间为共晶组织D，D镶嵌着分散的白色几何形状C。

对图中标记的C、D和E相进行能谱分析，结果如表2所示，条块状组织E主要含有Fe，Cr和W元素，从形态和成分上可判断E相应该为初生碳化物。共晶组织D为大量细小碳化物和部分固溶体；白色几何形状C中W含量很高，因此可以判断为硬质相WC。W在C，D和E相中均有，说明W在WC增强型高铬铸铁中一部分形成碳化物和溶入基体，另一部分作为WC颗粒“扎”在堆焊层中。

对高铬铸铁堆焊层和WC增强型高铬铸铁堆焊层进行X射线衍射分析，由于元素含量过多，物相组成极为复杂，包括各种形式碳化物和固溶体，因而XRD衍射峰极为复杂，再加上某相如WC各晶面反射能力很弱以及衍射花样的误差和原始卡片的误差不能被计算机完全消除等客观原因，因而X射线衍射在多相混合物分析中具有一定的局限性。

图5为WC增强型高铬铸铁试样堆焊层中心处WC颗粒附近组织。初生WC部分镶嵌在条块状碳化物初生相中，部分镶嵌在共晶碳化物中。WC颗粒表层附近具有鱼骨状的白色共晶，这是WC颗粒表层扩散区，它们一端与WC表层相接，一端深入共晶体相中。

图 5 WC颗粒及其附近SEM形貌 Fig. 5 Morphology of WC particles and adjacent area

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显微硬度测试结果见图6。高铬铸铁堆焊层平均硬度为1 243 HV_0.1，WC增强型高铬铸铁堆焊层平均硬度为1 632.8 HV_0.1，比高铬铸铁高31%。由于存在大量的条块状高硬度碳化物，高铬铸铁的硬度本身就比较高。而WC增强型高铬铸铁由于W的固溶强化和WC颗粒的弥散强化，它的硬度得到进一步提高。高铬铸铁堆焊层和WC增强型高铬铸铁堆焊层部分硬度出现明显凸起的“峰值”，这是因为堆焊层分布着大量的硬质相所致。

图 6 高铬铸铁和WC/高铬铸铁堆焊层横截面显微硬度分布 Fig. 6 Microhardness distribution of cross section of the high chromium cast iron and WC reinforced high chromium cast iron surfacing layers

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从堆焊层到母材硬度值出现非均匀过渡-陡降，说明了堆焊层的稀释率低，硬度低的母材元素对堆焊层的冲淡很小。对高铬铸铁试样和增强型高铬铸铁试样熔合线附近距离约为200 μm处进行线扫描，各元素相对含量分布见图7。与硬度分析结果一致，元素之间相互扩散的程度较小，堆焊层稀释率低，尤其是硬质相成分W基本没有向母材扩散，最大限度地保持了堆焊层各项性能的完整性。

图 7 高铬铸铁和WC增强型高铬铸铁熔合区的线扫描 Fig. 7 EDS analysis results of the fusion zones of high chromium cast iron and WC reinforced high chromium cast iron

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由图7(a)可知，Fe、Ni和Cr在高铬铸铁熔合线附近均发生了相互扩散，由图7(b)可知，Fe和Cr也在WC增强型高铬铸铁熔合线附近发生了相互扩散，同时说明高铬铸铁和WC增强型高铬铸铁与基体冶金结合良好。

采用体积磨损率(单位载荷单位磨损距离的磨损体积)作为衡量指标，摩擦磨损试验结束后，用Taylor Hobson Form-talysurf series Ⅱ型表面形貌仪测量堆焊层摩擦沟槽的横截面积S，采用下列公式计算体积磨损率：

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V_wear为体积磨损率；S为横截面积，m²；N为载荷9.8 N；ω为转速200 r/min。计算结果如表3。WC增强型高铬铸铁的体积磨损率为0.60×10^-15 m³/(N·m)，高铬铸铁的体积磨损率为0.11×10^-15 m³/(N·m)，这说明WC增强型高铬铸铁耐磨性与高铬铸铁相比略微下降。一般来说，硬度越高，耐磨性越好。而硬度较高的WC增强型高铬铸铁堆焊层耐磨性反而略低于硬度较小的高铬铸铁堆焊层。这与高铬铸铁和WC增强型高铬铸铁堆焊层的组织差异相关。WC增强型高铬铸铁堆焊层与高铬铸铁堆焊层相比，虽然高硬度的碳化物初生相更多，且含有大量更高硬度WC颗粒，但是由于初生相面积分数非常高，间距很小，位于初生相之间的共晶体数量也相应减少，因而硬质相缺乏基体的支撑作用，容易产生破碎和剥落，导致WC增强型高铬铸铁的耐磨性反而略低于高铬铸铁。在铝电解厂中，由于铝水腐蚀是最主要的失效原因，因而耐磨性对材料寿命的影响并不大。

在28.9%的AlCl₃水溶液中进行腐蚀试验，测的高铬铸铁和WC增强型高铬铸铁极化曲线如图8所示。从图8可以看到，高铬铸铁和WC增强型高铬铸铁的极化曲线相似，没有钝化现象产生，同时高铬铸铁的自腐蚀电位比WC增强型高铬铸铁的自腐蚀电位低，这说明高铬铸铁的腐蚀倾向性更强。

图 8 高铬铸铁和WC增强型高铬铸铁堆焊层极化曲线 Fig. 8 Polarization curves of the high chromium cast iron and WC reinforced high chromium cast iron surfacing layers

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腐蚀电流密度、自腐蚀电位和腐蚀速率结果见表4，高铬铸铁腐蚀速率为0.689 270 mm/a，WC增强高铬铸铁腐蚀速率为0.051 675 mm/a，WC增强型高铬铸铁的腐蚀速率与高铬铸铁相比，降低了92%，所以WC增强型高铬铸铁耐电解腐蚀性与高铬铸铁相比，提高了约10倍。

事实上，WC增强型高铬铸铁和高铬铸铁含有等量耐腐蚀Ni元素，WC增强型高铬铸铁与高铬铸铁相比甚至含更少的耐腐蚀Cr元素，这说明WC颗粒的加入，对WC增强型高铬铸铁的耐电解腐蚀性起着决定性作用。W作为热力学稳定性高的元素，一方面一部分溶入基体形成固溶体，提高了整个堆焊层的热力学稳定性；另一方面热力学较稳定的WC颗粒弥散分布于基体中，也提高了WC增强型高铬铸铁的耐蚀性。

按下列公式计算热腐蚀速率：

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其中，ΔW为腐蚀后的质量减小量，g；S为试样腐蚀前后平均表面积，m²。此试验中试样腐蚀前后表面积可认为没有变化，故取腐蚀前已测的试样表面积；t为腐蚀时间，h。试验结果如表5。高铬铸铁的热腐蚀速率比WC增强型高铬铸铁高29%。

(1) 采用等离子弧粉末堆焊工艺得到的高铬铸铁堆焊层显微组织由块条状(Fe，Cr)₇C₃和共晶组织组成，WC增强型高铬铸铁堆焊层由块条状初生碳化物，WC颗粒和共晶组织组成。与高铬铸铁相比，WC增强型高铬铸铁由于WC的加入，初生碳化物面积分数非常高且间距很小，共晶组织数量也相应减少。

(2) 由于W的固溶强化和WC颗粒的弥散强化，WC增强型高铬铸铁的硬度比高铬铸铁高31%。但WC增强型高铬铸铁的耐磨性反而略低于高铬铸铁,可能是其硬质相缺乏基体的支撑作用，易产生破碎和剥落所致。

(3) 高铬铸铁和WC增强型高铬铸铁堆焊层与基体界面处的冶金结合良好，同时堆焊层稀释率低，说明WC的加入不影响WC增强型高铬铸铁堆焊层与基体界面处的冶金结合和堆焊质量。

(4) WC增强型高铬铸铁与高铬铸铁相比，稳定的WC颗粒弥散分布于基体以及含W元素固溶体的形成提高了整个堆焊层的热力学稳定性，WC增强型高铬铸铁的耐电解腐蚀性和耐热腐蚀性均得到了提高。