鄧 浩，李方坡，王世清

（1.西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 西安 710065；2.中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司， 西安 710077）

0 前 言

石油工程井下作業(yè)中，解卡及打撈工具是修井作業(yè)的必備裝備，是恢復(fù)油井產(chǎn)能、降低成本的重要手段之一。在石油天然氣工業(yè)投資中裝備占比約為60%，我國(guó)現(xiàn)有油氣井和注水井約50 萬(wàn)口，每年新鉆油氣井約3 萬(wàn)口，使用各類管材超350 萬(wàn)t，在石油工程井下作業(yè)時(shí)，越來(lái)越多的使用高強(qiáng)度和復(fù)合材料的工具，以提高井下工作效率和裝備使用率。在工程應(yīng)用中，套管損壞問(wèn)題嚴(yán)重，鉆井過(guò)程中管柱失效頻發(fā)，造成了經(jīng)濟(jì)、人員、環(huán)境的重大損失。因此，石油工程作業(yè)對(duì)套磨銑工具的性能提出了越來(lái)越高的要求。

磨銑工具的磨削性能主要和套磨銑鞋的強(qiáng)度、切削能力、使用壽命以及套磨銑方式和套磨銑技術(shù)參數(shù)等有關(guān)，因此需要設(shè)計(jì)出強(qiáng)度高、抗沖擊、耐磨損、切削能力高、具有優(yōu)良綜合性能的高效套磨銑鞋。銑鞋主要利用其前端的柱形工具表面所堆焊的硬質(zhì)合金研磨，修復(fù)內(nèi)落物或套管。因此，如何得到結(jié)合性能和耐磨性能良好、使用壽命高的硬質(zhì)合金耐磨層是提升磨銑工具磨銑性能的關(guān)鍵。

硬質(zhì)合金材料是以元素周期表中ⅣA、ⅤA、ⅥA 族的9 種高熔點(diǎn)金屬化合物作為基體，用Co、Fe、Ni 等過(guò)渡族金屬作為粘結(jié)相制備的粉末冶金金屬陶瓷材料。碳化物基體賦予硬質(zhì)合金足夠的高硬度和耐磨性能，粘結(jié)相則保證其強(qiáng)韌性。按照應(yīng)用分類，硬質(zhì)合金可以分為切削刀具、模具、量具、耐磨零件以及礦山石油地質(zhì)用硬質(zhì)合金[1]。目前強(qiáng)化井下套磨銑工具最有效、最經(jīng)濟(jì)的是采用各種類型的WC 基金屬陶瓷復(fù)合堆焊材料，由具有高耐磨性的WC 基金屬陶瓷顆粒和良好塑韌性的鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金或銅基合金基體組成，具有較好的綜合性能。

目前對(duì)于硬質(zhì)合金耐磨層的研究可以歸納為以下幾個(gè)方面[2-3]：

（1）硬質(zhì)合金元素組分的選擇與優(yōu)化。高熔點(diǎn)硬質(zhì)合金是硬質(zhì)合金耐磨堆焊層的主要部分，既要滿足高硬度高耐磨性的需求，又要滿足良好的潤(rùn)濕性、一定的韌性以及低成本的要求，工程應(yīng)用中WC和Cr3C2較為常用。

（2）填料金屬的優(yōu)化與改性。填料金屬是硬質(zhì)合金耐磨層的重要組成部分，是評(píng)估耐磨層綜合性能的關(guān)鍵，常用的填料有銅基金屬和鎳基金屬，與硬質(zhì)合金有良好的潤(rùn)濕性，給耐磨層提供良好的強(qiáng)韌性，如CuZnNi、CuMnNi、NiCrBSi等。

（3）硬質(zhì)合金耐磨層制備方法的優(yōu)化與創(chuàng)新。硬質(zhì)合金耐磨層根據(jù)其用途，不同應(yīng)用工具有多種制備工藝選擇，如激光熔覆、電弧堆焊、等離子堆焊、釬焊堆焊等，在這些基礎(chǔ)上再進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，如氬弧堆焊、真空釬焊、氧乙炔火焰釬焊等。

1 硬質(zhì)合金耐磨層國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 硬質(zhì)合金的性能

大量研究表明，在硬質(zhì)合金涂層組織中進(jìn)行顆粒強(qiáng)化、晶粒細(xì)化、提高相間結(jié)合強(qiáng)度、減少組織缺陷等，可有效提高硬質(zhì)合金耐磨涂層的耐磨性，鎢鈷類硬質(zhì)合金性能不同于傳統(tǒng)的高硬低韌硬質(zhì)合金，其Co 元素有良好的增韌作用，并且通過(guò)工藝優(yōu)化或過(guò)渡族金屬元素等可進(jìn)一步增強(qiáng)其強(qiáng)韌性。WC本身硬度很高，而Co金屬硬度較低，并對(duì)碳化物潤(rùn)濕性效果良好。因此兩種材料制備得到的鎢鈷硬質(zhì)合金在受到載荷作用時(shí)，碳化物顆粒所形成的組織具有足夠的承壓能力，并且硬度很高，Co 粘結(jié)相則作為緩沖帶吸收形變能，抑制裂紋的延展，使合金表現(xiàn)出較好的耐磨性與韌性。此外，WC與Co的溶解度較低，從而避免了元素聚集偏析不均勻化，保證了合金的高強(qiáng)度，因此鎢鈷硬質(zhì)合金在WC 基硬質(zhì)合金中的性能更為理想[4-7]。

通過(guò)調(diào)控硬質(zhì)合金內(nèi)部元素成分從而改變性能是最常見(jiàn)的研究方向之一。黃瑞明[8]對(duì)四種合金的斷裂韌性以及抗彎強(qiáng)度進(jìn)行了研究，Co 含量的增加對(duì)抗彎強(qiáng)度呈先增后減的影響趨勢(shì)，對(duì)合金疲勞敏感性呈先減后增的影響趨勢(shì)。在粘結(jié)相含量相同時(shí)，Ni和Cr會(huì)降低材料的抗彎強(qiáng)度。另外，在鎢鈷硬質(zhì)合金的制備中加入氧化石墨烯，發(fā)現(xiàn)對(duì)其致密化過(guò)程、晶粒尺寸和硬度影響都不大，主要作用是在晶粒內(nèi)部阻止了Co 相的塑性變形和微磨損，并阻礙了WC 晶粒在滑動(dòng)過(guò)程中的裂紋擴(kuò)展，提高了斷裂韌性，摩擦系數(shù)和磨損率也有所降低[9]。為提高高溫抗氧化性與耐磨性，Liu等[10]在鎢鈷硬質(zhì)合金中添加WCoB，初期磨損時(shí)效果不明顯，在快速氧化階段時(shí)其磨損率比純WC-Co 硬質(zhì)合金更好，主要由于WCoB通過(guò)在氧化層中形成液態(tài)B2O3，并在氧化前與WC 基體分擔(dān)應(yīng)力，抑制了超粗硬質(zhì)合金的氧化，提高了其耐磨性。Zou 等[11]對(duì)CoCrNiCuFe 質(zhì)量濃度為10%的WC-CoCrNiCuFe 硬質(zhì)合金的摩擦學(xué)性能進(jìn)行銷盤(pán)式滑動(dòng)磨損試驗(yàn)，其摩擦系數(shù)隨載荷和線速度增大而減小，當(dāng)時(shí)間由10 min延長(zhǎng)至60 min時(shí)，摩擦系數(shù)與磨損率均升高，主要因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間摩擦的磨損狀態(tài)使WC 顆粒發(fā)生破碎位移，磨損狀態(tài)由刮擦磨損變?yōu)樗苄岳鐪稀?/p>

有的研究者選擇對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行表面改性處理以提高其性能。徐洋等[12]對(duì)常用的YG類硬質(zhì)合金典型材料(YG6、YG8)進(jìn)行了表面改性處理，強(qiáng)流脈沖電子束表面改性能在YG硬質(zhì)合金中產(chǎn)生一系列特殊的相和組織轉(zhuǎn)變，從而使材料的相應(yīng)性能得到提高和改善，并減少了其表面的孔隙與空洞缺陷。Zheng等[13]對(duì)YG8硬質(zhì)合金進(jìn)行表面織構(gòu)改進(jìn)，有效降低了硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)與磨損率，磨損初期織構(gòu)表面凹槽容納金屬碎屑，防止金屬碎屑刮擦表面，后期則由于織構(gòu)方向與摩擦方向的差異不能及時(shí)去除碎屑，進(jìn)而形成具有更好穩(wěn)定性與摩擦學(xué)性能的軟硬復(fù)合表面。

由以上研究可知，除了常用的調(diào)控合金元素，對(duì)其制備、后處理工藝的改善也可有效改善性能。因此，通過(guò)合理選擇硬質(zhì)合金的組織和成分以及涂層的加工工藝，可有效提高涂層的耐磨性，滿足其多種摩擦磨損應(yīng)用的性能。

1.2 硬質(zhì)合金耐磨層的制備方法

硬質(zhì)合金耐磨層的制備有多種方式，熔焊如電弧焊、高能束焊等能產(chǎn)生良好冶金結(jié)合，激光熔覆和等離子堆焊具有良好的發(fā)展前景[14]，非熔化焊如釬焊具有工藝簡(jiǎn)單且成本低的特點(diǎn)。而硬質(zhì)合金焊接易產(chǎn)生過(guò)燒，不易被鋼潤(rùn)濕導(dǎo)致結(jié)合性差，生成η相和碳化物脆性相等缺陷，通常采用調(diào)控釬料元素、預(yù)置中間層、控制焊接熱輸入等方式來(lái)改善其焊接質(zhì)量[15]。

1.2.1 激光熔覆

激光熔覆是通過(guò)高能量密度的激光束做熱源將異種材料合金粉末和基體表層材料瞬間熔接，在基體表面快速凝固生成與其基體材料組織性能和成分組成均不相同卻又與基體達(dá)成冶金結(jié)合的熔覆層，被廣泛應(yīng)用于異種材料的連接。

李春燕等[16]研究鈦合金表面激光熔覆WC-Co復(fù)合涂層的組織及力學(xué)性能，WC-Co在鈦合金表面激光熔覆后基體綜合力學(xué)性能提升，并且WC含量比例增加時(shí)效果更好，但在含量達(dá)45%后其硬度反而下降，達(dá)到60%時(shí)甚至出現(xiàn)熔覆層開(kāi)裂現(xiàn)象。翁志坤[17]以Ni基、Co基合金為粘結(jié)相，在不銹鋼表面熔覆了不同鑄造WC含量的Ni/WC、Co/WC熔覆層以及Ni包60%球形WC熔覆層，發(fā)現(xiàn)隨著WC顆粒含量的增加，熔覆層硬度越高、耐磨性越好，三種熔覆層中Ni包60%球形WC熔覆層性能最好。采用基材預(yù)熱與添加稀土元素的方法可獲得成型較好、無(wú)裂紋及氣孔缺陷且高溫耐磨的熔覆層。熔覆過(guò)程中涂層中的元素與基體可產(chǎn)生各種金屬間化合物和碳化物，這些強(qiáng)化相與基體形成了良好的冶金結(jié)合，所形成涂層也具有優(yōu)異的耐磨性、抗氧化性和高溫穩(wěn)定性[18]。加入TiC增強(qiáng)硬質(zhì)相，能夠促進(jìn)CoTi2的生成，可得到理想的耐磨性能，同時(shí)Co元素有助于熔覆層與基體間的結(jié)合[19]。Van等[20]在低碳鋼上沉積WC/W2C碳化物增強(qiáng)鎳基基體，采用三種不同粒度碳化物增強(qiáng)，球盤(pán)磨損結(jié)果表明碳化物濃度的增加和碳化物尺寸的減小都有利于提高涂層的耐磨性，而對(duì)輕度磨料球磨試驗(yàn)中磨損能力影響不大，因此根據(jù)磨損方法的不同，還會(huì)有其他因素影響耐磨性，如恒定的內(nèi)應(yīng)力、碳化物與基體間的內(nèi)聚等。

激光熔覆制備硬質(zhì)合金耐磨層微觀結(jié)構(gòu)實(shí)例如圖1[20]所示。這些涂層的孔隙率很低且無(wú)裂紋，氣孔多數(shù)分布于涂層與基材界面上，用Ni 基合金作為填充材料能更良好地包覆鎢鈷硬質(zhì)合金，輔以焊前預(yù)熱和焊后預(yù)處理可以抑制其高熱輸入與加工快導(dǎo)致的η 脆性相生成，在熔覆厚度高、硬質(zhì)合金含量少或硬質(zhì)合金顆粒尺寸較大等情況下會(huì)使得硬質(zhì)顆粒出現(xiàn)沉底、燒損等問(wèn)題，圖中大尺寸顆粒在界面處明顯集中。

圖1 激光熔覆制備硬質(zhì)合金耐磨層微觀結(jié)構(gòu)

1.2.2 電弧焊

電弧焊作為熔化焊易在硬質(zhì)合金的焊接中產(chǎn)生各種脆性相，或是硬質(zhì)合金沒(méi)能良好覆蓋在表面實(shí)現(xiàn)耐磨層的作用，如過(guò)燒、溶入基體下表面等稀釋現(xiàn)象，因此眾多學(xué)者針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了相應(yīng)研究。

任登義等[21]使用純Ni 芯焊條對(duì)WC-Co 硬質(zhì)合金和45 鋼進(jìn)行電弧熔焊，因?yàn)槔昧薈o 與Ni金屬與鋼材的良好結(jié)合與集C性預(yù)防了碳化物的不均勻生成，熔覆金屬與WC-Co 能夠產(chǎn)生良好的熔合，η相等脆性相數(shù)量也較少。添加了Ni元素的焊條可抑制界面η碳化物的生成，并且通過(guò)調(diào)整工藝措施可使其彎曲強(qiáng)度達(dá)到母材強(qiáng)度90%以上。因此可見(jiàn)Ni 與Co 元素的配合和WC 硬質(zhì)合金有良好的適配性[22]。

在制備硬質(zhì)合金耐磨層的工藝方法中，擴(kuò)散焊由于其生產(chǎn)設(shè)備要求較高，且形成耐磨層的界面容易形成具有損害性能的η相，結(jié)合部位的抗彎強(qiáng)度也較低，這是由于在擴(kuò)散焊形成耐磨層的過(guò)程中硬質(zhì)合金中的碳元素容易向基體鋼側(cè)擴(kuò)散，使得硬質(zhì)合金的碳元素流失形成η 相[23]。而鎢極氣體保護(hù)焊（TIG 焊）可以適用于多種位置加工且速度快，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，其形成焊縫具有一定的寬度，可以有效控制焊縫處的貧C 和高Fe 現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而控制η 相形成[24]，并且適當(dāng)增加焊絲中的C 元素濃度也可以減少或抑制η 相產(chǎn)生。Wang 等[25]對(duì)TIG 熔覆碳化鎢顆粒增強(qiáng)耐磨涂層進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)含Nb 的粉芯焊絲不僅晶粒細(xì)小均勻不易開(kāi)裂，且涂層的硬度和耐磨性都有良好提升，涂層中碳化鎢顆粒的顯微組織如圖2[25]所示，其中碳化鎢顆粒組織的邊緣被輕微溶解形成過(guò)渡層（圖2（b）），碳化鎢顆粒與周圍基體形成了可靠的冶金結(jié)合，因此，碳化鎢顆粒在涂層中以增強(qiáng)顆粒的形式存在。當(dāng)熱輸入增加時(shí)過(guò)渡層變厚，W 和C 元素向基體擴(kuò)散會(huì)生成大量碳化物（圖2（c））。Zhao 等[26]采用Ni-Fe-C 填充合金對(duì)硬質(zhì)合金YG30 和45 鋼進(jìn)行TIG 焊，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)添加C、Ni 的含量可以抑制η 相形成，且提高了接頭抗彎強(qiáng)度。Singh[27]等使用TIG 堆焊制備堆焊耐磨層試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)只有高熱輸入試驗(yàn)組得到的耐磨層才具有足夠的冶金結(jié)合，也無(wú)法避免出現(xiàn)WC 顆粒的下沉與分解，并且形成粗糙的枝晶WC 結(jié)構(gòu)。

圖2 涂層中碳化鎢顆粒的顯微組織照片

電弧堆焊制備耐磨層主要問(wèn)題在于電弧保護(hù)不好，易產(chǎn)生各種缺陷、稀釋率高和硬質(zhì)顆粒燒損等，各種研究通過(guò)調(diào)控元素、涂層設(shè)計(jì)來(lái)強(qiáng)化耐磨層性能，其中填充合金中的Ni和C元素可有效抑制η 脆性相。TIG 焊的良好可控性對(duì)脆性相的預(yù)防較為有效，但堆焊效率不高。

1.2.3 等離子焊

等離子弧粉末堆焊技術(shù)是采用等離子弧焊接法中送料裝置，用粉末替代焊絲作為填充材料發(fā)展而來(lái)的一門(mén)堆焊技術(shù)，具有熔敷率高、稀釋率低、堆焊用粉末使用范圍廣等突出優(yōu)點(diǎn)。

張國(guó)棟等[28]用等離子弧粉末堆焊技術(shù)在Q235鋼表面分別堆焊高鉻鑄鐵和WC增強(qiáng)型高鉻鑄鐵，WC 的加入不影響耐磨層與基體間的冶金結(jié)合與堆焊質(zhì)量。王光等[29]按照冶金結(jié)合的方式將Ni60、WC、Cr3C2和TiC等混合粉末以一定的比例熔覆在42CrMo 鋼基體表面，利用這些材料高溫時(shí)形成的強(qiáng)化相提高了使用壽命。通過(guò)微觀組織發(fā)現(xiàn)WC 可有效防止裂紋延伸，并且在耐磨層中發(fā)現(xiàn)的魚(yú)骨狀組織由Cr3C2和WC構(gòu)成，可以提高耐磨層耐磨性，且具有熔點(diǎn)高、硬度大的特點(diǎn)。WC 顆粒在基體中均勻分布，耐磨層孔隙率較低，基體析出的二次相含量很少，認(rèn)為是WC破壞了二次相的形核導(dǎo)致。WC 硬質(zhì)合金耐磨層屬于非均勻磨損，其耐磨性比相同含量的Cr3C2耐磨層低，是由于硬質(zhì)合金在等離子堆焊過(guò)程中容易下沉，使得磨面的硬質(zhì)相含量較低[30]。劉元彬[31]選用含60%WC 的Ni 基自熔性合金粉末，采用粉末等離子堆焊技術(shù)在45鋼板表面進(jìn)行堆焊。當(dāng)堆焊電流較低、粉末熔化過(guò)熱程度不高時(shí)，耐磨層中形成比較完整的WC 顆粒團(tuán)簇球典型形貌，但WC 顆粒容易沉積在堆焊層底部。而熔化過(guò)熱程度高時(shí)，WC 顆粒大體上呈彌散分布。提高堆焊電流，WC 顆粒與基體間逐漸形成Fe6W6C、Co6W6C 等新的金屬間化合物，屬于脆性的η相，稀釋率隨之增加，耐磨層的硬度因此降低。

等離子堆焊粉末利用率高，其高致密性的耐磨層減少了孔洞、裂紋等缺陷，堆焊工藝同樣需要調(diào)控?zé)彷斎胍砸种拼嘈韵喈a(chǎn)生，但相比其他熔透性堆焊具有更低的稀釋率。目前研究著重探討粉末元素調(diào)控和堆焊工藝的改進(jìn)，而堆焊過(guò)程中硬質(zhì)合金顆粒沉底問(wèn)題仍然容易出現(xiàn)，對(duì)大顆粒硬質(zhì)合金耐磨層的耐磨性能不利。

1.2.4 釬焊

釬焊作為傳統(tǒng)的焊接方法，冶金結(jié)合性能較低的問(wèn)題一直是研究的重點(diǎn)之一，主要通過(guò)調(diào)控釬料元素并改善焊接工藝獲得良好的接頭性能。

部分學(xué)者采用能夠在基體與硬質(zhì)合金間良好結(jié)合的中間過(guò)渡層來(lái)解決耐磨層與基體材料性質(zhì)不同導(dǎo)致難以牢固結(jié)合的問(wèn)題。陳健等[32]用Cu箔、Ni 箔兩種中間層以降低YG6 硬質(zhì)合金與40Cr鋼真空釬焊焊接接頭殘余應(yīng)力，兩種材料對(duì)基體與耐磨層的結(jié)合性都符合標(biāo)準(zhǔn)，而Ni 中間層對(duì)焊接接頭的強(qiáng)化作用更好，因此更適合作為填充材料。Lee 等[33]采用Cu、Ni 板作為填充層，將油冷后的釬焊接頭殘余應(yīng)力降到了最低。Chiu等[34]在真空條件下采用Cu作為過(guò)渡層，結(jié)果表明用銅作為填料的釬焊過(guò)程中，在1 140 ℃、15 min時(shí)的接頭剪切強(qiáng)度最大。

真空釬焊技術(shù)可極大程度防止制備耐磨層過(guò)程中出現(xiàn)的氧化現(xiàn)象，從而提升其性能。丁恒楠[35]結(jié)合真空釬焊技術(shù)與柔性涂層布技術(shù)在Q235A 鋼基體表面制備WC-10Ni/NiCrBSi 包覆涂層，其涂層厚度可控且能隨意裁剪，能適應(yīng)各種復(fù)雜尺寸或位置的工件，良好的韌性和低內(nèi)應(yīng)力也解決了一般涂層連接時(shí)會(huì)產(chǎn)生的問(wèn)題，隨WC-10Ni 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加其磨損機(jī)理由主要的黏著磨損逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp。Terasaki等[36]選擇Ag-Cu 釬料，發(fā)現(xiàn)富Ag 相和富Cu 相界面與WC 晶粒界面間都形成了2～7 nm 的含Co偏析層。

由于氧乙炔火焰釬焊的通用性和經(jīng)濟(jì)性的原因，手工熔合是最常用的，因手工施焊操作方便、成本較低且非熔透焊對(duì)硬質(zhì)顆粒的燒損率小的優(yōu)點(diǎn)，在井下套磨銑工具表面耐磨層制備中較為常見(jiàn)，而由于硬質(zhì)合金耐磨層中線膨脹系數(shù)的差異容易出現(xiàn)形成的界面結(jié)合較弱，發(fā)生開(kāi)裂分層的現(xiàn)象，這也是其需要改進(jìn)的薄弱環(huán)節(jié)。Usana 等[37]用火焰噴涂制備WC 與NiCrBSi 的混合涂層，WC 不會(huì)溶解，而其W 元素會(huì)在Ni 中形成固溶強(qiáng)化，使得涂層硬度升高，但會(huì)使涂層的粘結(jié)性由于脆性而下降，并且涂層底部并未出現(xiàn)WC 下沉或熔化現(xiàn)象。Chen 等[38]在不銹鋼基體上制備了不同WC 添加量的Ni 基石墨/WC 復(fù)合涂層，WC 顆粒與Ni 基體結(jié)合良好，無(wú)熔融或溶解現(xiàn)象，磨損結(jié)果顯示W(wǎng)C 顆粒在涂層中嵌入良好，與Ni 基體之間具有良好的附著力，抑制了分層裂紋的擴(kuò)展，從而緩解了涂層材料的脫落。Kim 等[39]對(duì)火焰噴涂和熔凝鎳基涂層的磨損性能進(jìn)行評(píng)估，WC 在加熱時(shí)不會(huì)融化但會(huì)分解并失去碳，在2 600 ℃區(qū)間形成W2C，比WC 更脆。銷盤(pán)磨損試驗(yàn)中，用更高硬度對(duì)磨材料表現(xiàn)出來(lái)的WC顆粒低應(yīng)力耐磨性不如無(wú)WC 基體，表現(xiàn)出脆性，而低于其耐磨性的對(duì)磨材料則表現(xiàn)出更高的WC 耐磨性。Wang 等[40]發(fā)現(xiàn)雖然火焰噴涂沉積涂層有較多的缺點(diǎn)，如高孔隙率(10%～20%)以及與基體的粘附性差，但重熔層大大減少孔隙率，并與基材形成冶金結(jié)合，可提高涂層顆粒之間的凝聚力。Maslarevic 等[41]研究了兩種含WC 涂層在等離子轉(zhuǎn)移電弧焊和氧乙炔火焰釬焊時(shí)的侵蝕行為，火焰噴涂工藝下的WC 顆粒由于孔隙率更高，WC 顆粒對(duì)硬度的貢獻(xiàn)降低，即使1 000 ℃熱處理降低孔隙率含量后仍可以看出孔隙率較高。

由以上研究可知，釬焊堆焊制備硬質(zhì)合金耐磨層可以通過(guò)選擇合適的釬料來(lái)改善接頭性能，從而滿足工程應(yīng)用的要求。硬質(zhì)合金與基體鋼的物理性能相差較大，釬焊過(guò)程中雖不會(huì)出現(xiàn)硬質(zhì)合金顆粒燒損現(xiàn)象，但元素分解流失的問(wèn)題仍然存在，因此仍然會(huì)有生成η 脆性相的情況，所以選擇的釬料不僅需要有良好的潤(rùn)濕性，還需要加入含有抑制硬質(zhì)合金元素流失的材料。目前銅基釬料和銀基釬料強(qiáng)度較低，所得到的耐磨層接頭性能也較低，鎳基釬料強(qiáng)度較高且具有抑制η 脆性相生成的優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)槠淙埸c(diǎn)較高會(huì)使得釬焊溫度升高，從而影響接頭應(yīng)力的控制。因此選擇高強(qiáng)度、高潤(rùn)濕性、低應(yīng)力焊接接頭的釬料仍然需要進(jìn)一步研究。

1.3 硬質(zhì)合金與鋼焊接接頭的成分與性能

表1 中列舉了近年來(lái)硬質(zhì)合金耐磨層接頭的化學(xué)成分、連接工藝及其最佳力學(xué)性能。釬焊接頭的剪切強(qiáng)度大多約為400 MPa，抗彎強(qiáng)度為1 000 MPa 以下，相比其他高熱輸入焊接接頭，其冶金結(jié)合性能較低。在接頭成分方面，鎢鈷硬質(zhì)合金中Co 元素含量的增加明顯提高了接頭強(qiáng)度，即使將一部分Co 元素?fù)Q成等比例的Ni，其接頭性能也不如原比例的鎢鈷硬質(zhì)合金。而采用Ni 基合金的釬料接頭強(qiáng)度要高于Cu 基合金，Ni 基釬料中的Ni 元素降低了接頭脆性相的生成，F(xiàn)e 元素可與鎢鈷硬質(zhì)合金中的Co 元素互溶形成固溶體，減少η 類脆性相的生成。另一方面，Cu、Ag 等都屬于低強(qiáng)度金屬，雖然可以有效降低接頭應(yīng)力，但需要加入一些強(qiáng)化合金元素彌補(bǔ)其接頭強(qiáng)度不足的缺點(diǎn)，成本也隨之提高。焊接工藝方面，常規(guī)釬焊接頭性能普遍低于高熱輸入焊接接頭性能，高頻感應(yīng)釬焊在真空釬焊的基礎(chǔ)上加熱速度更快，可以獲得較高的釬焊接頭性能。

表1 硬質(zhì)合金與鋼焊接接頭的成分、加工工藝、填充材料和力學(xué)性能

2 套磨銑工具硬質(zhì)合金耐磨層制備工藝研究現(xiàn)狀

套磨銑工具的工作原理是：當(dāng)其對(duì)落物進(jìn)行旋轉(zhuǎn)磨銑時(shí)，堆焊材料中硬質(zhì)相顆粒嵌入并銑削落物，每個(gè)硬質(zhì)相顆粒都相當(dāng)于一個(gè)小刀刃，利用小刀刃切削落物，以此清除井下落物。當(dāng)硬質(zhì)相的切削刃被摩擦損耗后，耐磨層的胎體金屬會(huì)受到劇烈的刮擦、沖擊從而流失，硬質(zhì)相顆粒又逐漸顯露出來(lái)；另一方面，在不斷地磨損過(guò)程中硬質(zhì)相顆粒中的應(yīng)力應(yīng)變也在增加，促使其產(chǎn)生裂紋，生成的裂紋面又會(huì)形成一個(gè)新的切削刃，以上過(guò)程循環(huán)往復(fù)，直到全部硬質(zhì)相耗盡為止。因此，套磨銑工具表面的耐磨堆焊層不僅需要有足夠高的硬度與耐磨性，還要具備一定的抗沖擊載荷和耐沖蝕磨損性能。

2.1 硬質(zhì)合金耐磨層加工工藝

磨銑工具制備超硬復(fù)合材料耐磨層時(shí)，氧乙炔火焰加熱會(huì)出現(xiàn)因不易控溫產(chǎn)生熱損、自動(dòng)化程度低導(dǎo)致能量不穩(wěn)定的問(wèn)題，若配合磁感應(yīng)加熱可以對(duì)能量的輸入加以控制，但即便如此也可能出現(xiàn)加熱不均勻或氧化的問(wèn)題，因此為保證了復(fù)合材料層的組織均勻性和基體連續(xù)性還可以采用真空鑄造工藝相配合，可獲得無(wú)缺陷且組織均勻的硬質(zhì)合金耐磨層，能極大程度上提高磨銑工具的耐磨性和使用壽命[55]。磨銑工具用超硬復(fù)合材料真空鑄造工藝配套的模具工裝如圖3[55]所示。該方法的局限性在于真空加熱爐的尺寸有限，能加工設(shè)計(jì)的磨銑工具也較短，為保證增強(qiáng)相與基體比例適中，需要通過(guò)選擇潤(rùn)濕性好且熔點(diǎn)高于基體的材料為預(yù)制體，再將增強(qiáng)相材料放置于預(yù)制體上，基體材料在間隙處放置。

圖3 磨銑工具用超硬復(fù)合材料真空鑄造工藝配套的模具工裝

向俊科[56]采用爐中預(yù)熱，然后用高頻感應(yīng)加熱配合氧乙炔輔助熱源進(jìn)行釬焊，在與鎳基合金對(duì)磨中，超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金組硬度及耐磨性最好。國(guó)內(nèi)某公司為解決標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的磨銑工具的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了自主加工磨銑工具技術(shù)，建立的標(biāo)準(zhǔn)流程主要包括表面處理、預(yù)加熱處理、堆焊硬質(zhì)合金、冷卻、清潔噴漆環(huán)節(jié)[57]，提高了加工效率和成品質(zhì)量。在焊前預(yù)熱方面，應(yīng)用了新型開(kāi)放式線圈加溫技術(shù)（圖4[58]），可以良好適配磨銑工具堆焊加溫工作，比手工加工效率有所提高。單曉偉[59]使用磁感應(yīng)釬焊工藝，爐中釬焊預(yù)熱并配合氧乙炔熱源加工磨銑工具，并模塊化焊接結(jié)構(gòu)，解決了預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)、焊接方式單一、刀板定位不準(zhǔn)確和無(wú)法工業(yè)化生產(chǎn)的問(wèn)題。

圖4 開(kāi)放式加熱線圈現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.2 耐磨層加工材料

在選擇加工磨鞋用材料時(shí)，采用YT535 硬質(zhì)合金和銀基合金制備釬料加工[60]，其性能遠(yuǎn)好于國(guó)產(chǎn)普通磨鞋，與國(guó)外磨鞋壽命相近。其使用的銀基釬料成分與抗拉強(qiáng)度見(jiàn)表2[60]，抗拉強(qiáng)度均高于國(guó)內(nèi)磨銑工具常用的BCu48ZnNi(Si)釬料，其中YHL-4 釬料的抗拉強(qiáng)度最高、熔點(diǎn)最低。行舒樂(lè)等[61]分別使用國(guó)內(nèi)和國(guó)外磨銑工具進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)國(guó)外磨銑工具所使用的銀基釬料為主的YT 型硬質(zhì)合金，性能比國(guó)產(chǎn)的銅基釬料的YG 型硬質(zhì)合金更為優(yōu)異，所使用材料雖然成本更高，但是在提高修井效率、降低修井成本方面相比是有優(yōu)勢(shì)的。王新洪等[62]通過(guò)研究WC-TiC-TaC-Co 金屬陶瓷與CuZnNi 合金，自主研發(fā)了一種高耐磨耐沖擊性能的堆焊材料，采用大顆粒型硬質(zhì)合金進(jìn)行耐磨層的制備，可以良好地提升磨銑工具的使用壽命。結(jié)果表明：氧乙炔火焰堆焊的耐磨層耐磨性優(yōu)于TIG 堆焊[63]，且顆粒燒損現(xiàn)象的預(yù)防更為可控，其自制的CuZn 合金與金屬陶瓷形成擴(kuò)散型界面，有利于提高界面連接強(qiáng)度。

表2 磨銑工具用銀基釬料成分及抗拉強(qiáng)度

3 存在問(wèn)題及研究方向

井下修井的復(fù)雜工作環(huán)境極大地影響了磨銑工具的使用壽命。國(guó)內(nèi)修井作業(yè)時(shí)套磨銑工具經(jīng)常出現(xiàn)硬質(zhì)相與基體間結(jié)合性能不佳導(dǎo)致脫落、硬質(zhì)合金耐磨層強(qiáng)度與耐磨性不足導(dǎo)致銑削效率不高等問(wèn)題，因此保證耐磨層中硬質(zhì)合金的低損耗和耐磨層與基體間強(qiáng)的結(jié)合性能是目前制備套磨銑工具表面耐磨層研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

熔透型焊接方法因?yàn)楦吣芰枯斎氲奶攸c(diǎn)具有較高的接頭力學(xué)性能，而這些方法產(chǎn)生的缺陷如硬質(zhì)顆粒燒損、η 脆性相、母材稀釋等問(wèn)題引起了廣泛關(guān)注。這些缺陷很大程度上決定了套磨銑工具的使用壽命和服役性能，因此各方面研究通過(guò)選擇改善焊接工藝和優(yōu)化焊接材料的方式調(diào)控硬質(zhì)合金耐磨層與焊接接頭中的缺陷。激光焊、電弧焊和等離子焊等方法在焊接過(guò)程中具有很高的峰值溫度，并且暴露時(shí)間較長(zhǎng)，容易生成組織粗大的脆性相，需要調(diào)控焊接參數(shù)來(lái)控制焊接熱輸入能量，并預(yù)制中間層來(lái)改善。

非熔透焊接方法如釬焊機(jī)械咬合的接頭連接方法，其接頭力學(xué)性能比其他熔透焊接方法低，需要選擇高強(qiáng)度、高延展性并且能抑制脆性相生成的釬料，如Ni基合金，改善并優(yōu)化焊接工藝，如焊前預(yù)熱、表面處理和高頻感應(yīng)釬焊，以保證焊接材料有效快速地堆焊在磨銑工具表面。

對(duì)于硬質(zhì)合金耐磨層內(nèi)部脆性相的生成機(jī)理需要進(jìn)一步深入研究，如何提高焊接效率、節(jié)約貴重金屬、降低成本是未來(lái)套磨銑工具表面耐磨層的研究重點(diǎn)。