用于调控电弧沉积马氏体不锈钢镀层微观结构与性能的相变策略

《Surface and Coatings Technology》：Phase transformation strategies for tailoring microstructure and properties of wire arc deposited martensitic stainless steel cladding layer

　　

摘要

对海洋和能源设备中的关键部件进行表面改性，旨在平衡其优良的机械性能和耐腐蚀性。虽然工艺优化可以调整涂层性能，但马氏体相变对微观结构、机械性能、耐腐蚀性和残余应力的协同效应仍不清楚。本研究采用气体金属弧焊（GMAW）在0Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢（MSS）基材上制备了ER410NiMo合金涂层。通过将层间温度控制在250°C或50°C，建立了两种热循环模式：无相变冻结（PTF）和相变循环（PTC）。系统地研究了马氏体相变对涂层的影响，并通过有限元仿真进行了验证。结果表明，PTF模式产生了均匀的粗大马氏体微观结构以及均匀的压缩残余应力，实现了最高的硬度（392 HV_0.2）和抗拉强度（1151.5 MPa）。相比之下，PTC模式形成了周期性的柱状等轴回火微观结构。尽管其强度略有下降至1091.67 MPa，但其耐腐蚀性显著提高。本研究阐明了多层单道GMAW焊接MSS的微观结构调控机制，并提出了两种可定制的相变策略用于防护涂层。这项工作为水电、海洋和能源领域MSS涂层层的性能导向设计提供了理论指导和技术支持。

引言

由于具有高强度、良好的韧性以及优异的耐腐蚀性，MSS（如0Cr13Ni5Mo）被广泛用于水力涡轮机转轮、核动力阀门和海洋螺旋桨等关键结构部件[1],[2],[3]。然而，在长期使用过程中，这些部件不可避免地会受到严重的表面损伤，包括点蚀、侵蚀磨损、断裂失效和疲劳裂纹，这大大缩短了它们的使用寿命并增加了维护成本[4],[5]。表面涂层技术作为一种经济有效的解决方案，通过在部件表面沉积高性能防护层来延长使用寿命，而无需更换整个结构[6],[7]。

在各种涂层技术中，GMAW因其高沉积效率、低设备成本以及对大型部件的优良适应性而受到了广泛的工业关注[8],[9],[10]。近年来，大量研究集中在GMAW涂层上，主要关注传统工艺参数（如沉积策略、焊接机参数和沉积参数）的影响。Liu等人[11]对EH40低碳钢进行了涂层处理，并研究了水下涂层过程对涂层微观结构特性、耐磨性和耐腐蚀性的影响。Carvalho等人[12]在低碳钢上涂覆了Inconel 625，并研究了工艺参数（包括焊枪角度、送丝速度和焊接速度）对穿透控制、几何形状、稀释和整体涂层质量的影响。Moreno等人[13]研究了ER410NiMo涂层的微观结构、显微硬度和残余应力。然而，他们的工作仅限于单层单道涂层，没有涉及多层涂层。尽管如此，在GMAW涂层过程中原位热循环对相变行为和最终服役性能的决定性调节作用却很大程度上被忽视了。

特别是对于MSS，热循环工程会显著改变其微观结构和机械性能。这在多层单道增材制造MSS的研究中已有广泛报道。L'Hostis等人[14]基于多尺度表征研究了通过CMT制造的MSS薄壁部件的热循环诱导的微观结构演变。Tian等人[15]利用GMAW的固有热循环效应制备了含有奥氏体相的回火MSS薄壁部件，这些部件展示了优异的综合机械性能。Im等人[16]进一步证实，热循环可以促进沉淀硬化MSS中的沉淀相析出，从而优化部件的结构性能。此外，MSS的特点是低温马氏体转变，相关的体积膨胀会产生压缩残余应力[17]。然而，热循环也可能使这类材料的残余应力状态变得复杂[18]。不过，这些研究都集中在多层单道增材制造的薄壁结构上。表面涂层和增材制造在焊珠形态、传热条件和约束状态方面存在差异[19],[20]。这意味着为增材制造建立的微观结构调控规律不能直接应用于表面涂层场景，但相关的系统研究仍然不足。层间温度是一个关键工艺参数，它直接控制着热循环历史和马氏体转变行为。马氏体转变又显著影响涂层的微观结构、机械性能、耐腐蚀性和残余应力。然而，这些因素之间的协同调控机制尚不清楚。

章节摘录

材料与方法

使用0Cr13Ni5Mo MSS板材（120 mm × 120 mm × 20 mm）作为基材，ER410NiMo线材（直径1.2 mm）作为涂层材料。化学成分见表1。

如图1(a)所示，采用GMAW进行涂层。固定工艺参数如下：送丝速度为4 m/min（焊接电源自动匹配约130 A的电流和约20 V的电压），行进速度为4 mm/s，保护气体为80% Ar + 20% CO₂混合物，气体流量为

光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）分析

图4展示了整个涂层区域的涂层A的微观结构（图4(a)）。宏观形态显示，从第1道到第12道焊道的微观结构都非常均匀（图4(a1)–(a3)）。即使在更高放大倍率下（图4(b)），层间界面也完全无法区分。

微观结构特征是沿Z轴生长的粗大柱状马氏体，这与垂直于熔合线的散热方向一致[24]。高倍率下

结论

在本研究中，我们为GMAW涂层MSS构建了两种马氏体相变调控模式（PTF和PTC）。系统研究了两种涂层涂层的微观结构演变、机械性能、耐腐蚀性和残余应力分布。主要结论如下：

• (1)
  层间温度决定了涂层的相变历史和最终微观结构。PTF模式产生了均匀的柱状

作者贡献声明

Haoyu Kong：写作 – 原稿撰写、可视化、概念化。Weiyao Tian：写作 – 审稿与编辑、数据管理。Shuo Wang：研究。Qi Sun：监督、资金获取。Yibo Liu：方法论、资金获取。Qingjie Sun：写作 – 审稿与编辑、资金获取。Jicai Feng：监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的、可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了中国国家重点项目、国家自然科学基金（项目编号：52175299、52275320）、山东省自然科学基金（项目编号：ZR2025QC1080）以及泰山学者攀登专家项目（项目编号：tsspd20240809）的财政支持。

Haoyu Kong | Weiyao Tian | Shuo Wang | Qi Sun | Yibo Liu | Qingjie Sun | Jicai Feng哈尔滨工业大学材料与结构精密焊接与连接国家重点实验室，中国哈尔滨市大志街西92号，150001