Die kruis ortogonale stapelmetode is gebruik om multi-laag en multi-pass uit te voer laserdraadbekleding op 'n 20 mm dik Q345B laekoolstof staalplaat, en die makroskopiese morfologie, mikrostruktuur, fasesamestelling, mikrohardheid en korrosiebestandheid van die bekledingslaag is bestudeer. Die resultate toon dat die bekledingslaag wat verkry word deur die multi-laag en multi-pass laser draad vul proses het goeie makroskopiese vorming en geen ooglopende defekte soos porieë en krake; die bekledingslaag is hoofsaaklik saamgestel uit bekledingsone, oorvleuelsone, faseverandering-geaffekteerde sone, samesmeltingsone en hitte-geaffekteerde sone; die moedermateriaalstruktuur is hoofsaaklik ferriet en perliet, en die bekledingslaagmikrostruktuur is hoofsaaklik ferriet, widmanstatten en martensiet; as gevolg van die invloed van mikrostruktuur en korrelgrootte is die hardheid van die bekledingslaag oor die algemeen getrap, en die gemiddelde hardheid van die bekledingslaag is 320.13 HV, wat hoër is as dié van die moedermateriaal; in 3.5% NaCl-oplossing toon die polarisasiekurwe van die bekledingslaag 'n passiveringsgebied, en die korrosiebestandheid is beter as dié van die moedermateriaal. Die meerlaagse en meervoudige laserdraadvulbekledingsproses kan voldoen aan die voorbereidingsvereistes van bekledingslae in werklike ingenieurswese.
Sleutelwoorde: Q345B laekoolstofstaal; laserdraadbekleding; dwars ortogonale stapeling; mikrostruktuur en eienskappe

Met die ontwikkeling van die ekonomie en die samelewing neem my land se vraag na mariene olie- en gasbronne steeds toe. Om te fokus op die eksplorasie en ontwikkeling van mariene hulpbronne is 'n praktiese behoefte vir die ontwikkeling van my land se petroleumbedryf [1-2]. As gevolg van die komplekse diensomgewing van mariene ingenieurstrukture, is hulle meer vatbaar vir skade as tradisionele strukture. Daarom het die daaglikse instandhouding van mariene ingenieurstoerusting 'n sleutelkwessie geword wat dringend opgelos moet word [3]. Q345B-staal is 'n lae-legering hoë-sterkte staal met goeie omvattende eienskappe en uitstekende sweisbaarheid. Dit word wyd gebruik in mariene ingenieurswese en brugkonstruksie [4].

As 'n gevorderde beskermende en herstelbedekkingstegnologie, bied laserbekleding 'n doeltreffende naby-net-vorm vormingsproses vir hoë-presisie herstel van sleutelonderdele en voorbereiding van bedekkings met gevorderde materiaal eienskappe [5]. Tydens die meerlaag- en meervoudige bekledingsproses oorvleuel die hitte-geaffekteerde sones van aangrensende sweislasse en vorm areas wat twee of meer termiese siklusse ondergaan het. Die mikrostruktuur van hierdie areas is besonder kompleks [6], en die mikrostruktuursamestellingsfase, herkristallisasietempo, presipitaatskaal en insluitingsmorfologie verander voortdurend deur die proses [7]. Daarom is daar tydens die meerlaag- en meervoudige bekledingsproses dikwels swak punte in die bekledingsarea, wat geneig is tot mislukking tydens gebruik. Byvoorbeeld, elektrolitiese korrosie en spanningskorrosie word dikwels waargeneem naby die gelaste verbindings van drukvate tydens gebruik [8].

Wu et al. [9] gebruik laser bekleding tegnologie om 'n aaneenlopende en digte Mo2NiB2-bekledingslaag op 'n staalsubstraat voor te berei. Die deklaag het hoë hardheid, goeie slytasie- en korrosiebestandheid, verbeter die werkverrigting van die substraat en verseker die veilige en stabiele diens van mariene ingenieurstoerusting. Li et al. [10] het laserdraadbekleding gebruik om die geroeste dele van 316L vlekvrye staaloppervlakte te herstel en het 'n meerlagige meerdeurlaatbekledingslaag van 308L vlekvrye staal verkry. Die deklaag bestaan ​​hoofsaaklik uit austeniet en 'n klein hoeveelheid ferriet, met 'n treksterkte en verlenging van onderskeidelik 548MPa en 40%, wat ongeveer 86% en 74% van die substraat is.

In hierdie vraestel, laser draad bekleding tegnologie word gebruik om Q345B laserbekledingslaag voor te berei deur dwars ortogonale stapeling. Die makroskopiese morfologie, mikrostruktuur, fasesamestelling, mikrohardheid en korrosiebestandheid van die meerlaagse multi-deurlaatbekledingslaag word bestudeer, wat 'n basis bied vir die herstel van mariene ingenieursstrukture op die terrein.

1 Laserdraadbekledingseksperiment

1.1 Eksperimentele materiaal

Die eksperimentele substraatmateriaal is Q345B koolstofstaal, en die draadbekledingsmateriaal is AFEW6-86 legeringstaaldraad met 'n deursnee van 1.2 mm. Die chemiese samestellings van die twee word in Tabel 1 getoon.

1.2 Multi-laag en multi-pass laser draad bekleding proses
In werklike ingenieurstoepassings sal die werkstuk beïnvloed word deur kragte in verskillende rigtings tydens werking, dus die invloed van anisotropie moet in ag geneem word. Om die invloed van anisotropie te verminder, word die pad van die bekledingslaag beplan, die additiewe rigting van die sweislasse in dieselfde laag is konsekwent, die rigtings van die sweislasse in aangrensende stapellae is loodreg op mekaar, en die lae is ortogonaal. Sy dwars-ortogonale stapelpad word in Figuur 1 getoon.

Tydens die bekledingseksperiment is die afskermgas suiwer argongas met 'n gassuiwerheid van 99.99%. Eerstens is 'n ortogonale eksperiment uitgevoer met behulp van 'n enkellaag enkeldeurlaatbekledingsmetode om die optimale prosesparameters vir enkellaatbekleding te verken; dan is 'n meerlaag enkel-deurstap stapelmetode gebruik om die invloed van die lighoogte tussen lae op die sweisvormingskwaliteit te bestudeer, en 'n meerlaag-enkeldeursweislas met 'n reguit bekledingslaag en goeie vormingseffek is verkry. Op grond van bogenoemde is die invloed van verskillende oorvleuelingstempo's op die vormkwaliteit van die bekledingslaag bestudeer, en daar is gevind dat wanneer die oorvleuelingstempo 40% was, die hoogte tussen elke deurgang van die bekledingslaag relatief eenvormig was, die oppervlakformasie was relatief plat, en die metallurgiese binding tussen elke deurgang was die sterkste. Die lighoogte tussen die eksperimentele lae is 0.8 mm vir elk van die eerste twee lae en 0.7 mm vir elk van die daaropvolgende lae. Die spesifieke eksperimentele parameters word in Tabel 2 getoon.

1.3 Analise en toetsmetode van bekledingslaag
Draadsny is gebruik om metallografiese monsters van die voorbereide multi-laag en multi-pass bekleding laag te sny. Die monsteroppervlak is gemaal nadat dit by kamertemperatuur met epoksiehars ingebed is. Skuurpapier van verskillende grofheid is gebruik om te poets totdat geen skrape oorgebly het nie. Daarna is die monster met 'n poleermasjien gepoleer om 'n metallografiese monsterdwarssnit met 'n spieëleffek te verkry. Die monster is met 4% salpetersuur-alkoholoplossing gekorrodeer om die sigbare bekledingslaag-koppelvlak uit te ets, met alkohol afgespoel en drooggeblaas, en die mikrostruktuur van die monster is met 'n metallografiese mikroskoop waargeneem; die fasesamestelling en evolusie van die bekledingslaag is geskandeer en geanaliseer in die reeks van 30°~100° deur gebruik te maak van X-straaldiffraksie tegnologie; die chemiese element-analise van die bekledingslaag is uitgevoer met behulp van 'n energiespektrometer; die mikrohardheid van verskillende areas van die bekledingslaag-dwarssnit is getoets met 'n HVS-1000Z Vickers-hardheidstoetser; die polarisasiekrommes en impedansiespektra van die bekledingslaag en die moedermateriaal is getoets in 'n 3.5% NaCl-oplossing met 'n VersaSTAT 3F elektrochemiese werkstasie met 'n versadigde kalomelelektrode as die verwysingselektrode en 'n platinumelektrode as die hulpelektrode, en hul korrosieweerstand is vergelyk en ontleed.

2 Eksperimentele resultate en analise
2.1 Makromorfologie-analise van bekledingslaag
Die laserdraad-gevulde bekledingslaag is voorberei deur 'n kruis-ortogonale stapeleksperiment van 29 (lengte) × 15 (breedte) × 12 lae (hoogte). Die bekledingslaag het 'n goeie vormeffek, 'n gladde oppervlak, geen makro-defekte soos krake en ongesmelte nie, en ooglopende vertikale hoogte. Die makroskopiese morfologie van die bekledingslaag word in Figuur 2 getoon. Tydens die meerlaagse meervoudige laserdraadbekledingseksperiment sal die bekledingsproses van laasgenoemde laag 'n hersmeltreaksie op die vorige bekledingslaag produseer, wat 'n afwaartse vloei tot gevolg het by die rand van die bekledingslaag. Terselfdertyd, tydens die bekledingsproses, as gevolg van 'n sekere vertraging in die begin- en eindinstruksies van die laserliguitset, sal die hoogte van die rand van die bekledingslaag effens laer wees as die middelste deel.

Figuur 3 toon die deursnee-morfologie van die multi-laag multi-pass laser bekleding laag. Geen defekte soos porieë, krake en insluitings is gevind nie. 'n Digte metallurgiese binding is tussen die bekledingsmetaal en die basismateriaal gevorm. Daar was duidelike vertikale hoogte, en die dikte van die bekledingslaag was 11.5 mm.

2.2 Mikrostruktuurontleding van bekledingslaag
Die verkoeling van die sweisbad is 'n faseveranderingsproses, en die mikrostruktuur van die faseverandering hang af van die chemiese samestelling en verkoelingstoestande van die sweismetaal [11]. Die mikrostruktuur van elke area van die bekledingslaag is waargeneem met behulp van 'n metallografiese mikroskoop, soos getoon in Figuur 4. Die bekledingslaag sluit die bekledingsone (beklede sone, CZ), die oorlegsone (oorgevlochten sone, OZ), die fase in oorgang-geaffekteerde sone (fase-oorgang-geaffekteerde sone, PAZ), die samesmeltingsone (samesmeltingsone, FZ), die hitte-geaffekteerde sone (hitte-geaffekteerde sone, HAZ) en die onedelmetaal (edelmetaal, BM) [12]. Die basismetaalmikrostruktuur bestaan ​​hoofsaaklik uit ferriet en 'n klein hoeveelheid perliet. Die hoofelement Mn wat by Q345B-staal gevoeg word, het nie net 'n beduidende versterkende effek op ferriet nie, maar verminder ook die taaiheid-brosheid-oorgangstemperatuur, verhoog die hoeveelheid perliet en verbeter die sterkte van perliet.

Figuur 4 (a) toon die mikrostruktuur van die bekledingsarea binne die bekledingslaag, wat saamgestel is uit latte en naaldvormige ferriet, widmanstatten en 'n klein hoeveelheid latte martensiet. As gevolg van die verskillende lae sal elke bekledingslaag 'n tempereffek op die vorige laag lewer, wat eenvormige korrelverfyning en duidelike korrelgrense tot gevolg het; Figure 4 (b) en (b-1) toon die mikrostruktuur van die samesmeltingsarea, wat saamgestel is uit ferriet en widmanstatten met ongelyke korrelverspreiding; Figuur 4 (d) toon die mikrostruktuur van die oorvleuelingsarea van twee sweislasse binne die bekledingslaag. Die helder area in die figuur is die samesmeltingslyn tussen die twee sweislasse. Tydens die verkoelingsproses sal die gesmelte swembad kolomvormige ferriet langs die hitte-afvoerrigting vorm. Daarom bestaan ​​hierdie area hoofsaaklik uit kolomvormige ferriet en 'n klein hoeveelheid perliet, soos getoon in Figuur 4 (d-1). As gevolg van die dubbele termiese aksie het die oorvleuelingsarea eenvormige korrelverfyning; Figuur 4 (d-2) is die fase-transformasie-geaffekteerde area, wat hoofsaaklik uit ferriet en Widmanstatten bestaan. As gevolg van die invloed van fasetransformasie hitte is die korrelgrootte van hierdie area effens groter as dié van die oorvleuelingsarea; Figuur 4 (e-1) is die mikrostruktuur van die hitte-geaffekteerde sone. Tydens die sweisproses ondergaan die onderste bekledingsarea tempering, wat die struktuur van hierdie area verfyn maak en die korrelverspreiding eenvormig maak. Dit is hoofsaaklik saamgestel uit fynkorrelige ferriet en 'n klein hoeveelheid perliet. Fynkorrelige ferriet is 'n transformasieproduk tussen ferriet en bainiet. Dit is 'n voordelige mikrostruktuur in die sweismetallurgiese proses [11].

Figuur 5 is die mikrostruktuur van die laaste bekledingslaag. Hierdie laag word nie aan laser sekondêre verhitting onderwerp nie. In vergelyking met ander lae, kan dit die oorspronklike struktuurmorfologie handhaaf. Die korrelgrootte is eenvormig en die struktuur is dig. Dit is hoofsaaklik saamgestel uit ferriet, Widmanstatten en latte martensiet.

2.3 XRD- en EDS-analise van bekledingslaag
Ten einde die fasesamestelling van laserbekledingslaag te ontleed, is 'n monster met 'n grootte van 10 mm×10 mm×8 mm deur draadsny gesny, en X-straaldiffraksietoetsanalise is uitgevoer na slyp en polering. Figuur 6 toon die XRD-spektrum van multi-laag multi-pass laser bekleding laag en ouer materiaal. Deur die mikrostruktuur en XRD spektrum resultate te kombineer, kan gesien word dat die bekledingslaag hoofsaaklik saamgestel is uit 'n groot hoeveelheid ferriet, deel van martensiet en widmanstatteniet, en geen ander skadelike fases verskyn nie. Aangesien kolomferriet gevorm sal word in die verkoelingsproses van laserbekleding gesmelte swembad, bevat die bekledingslaag 'n groot hoeveelheid ferriet. Wanneer die hitte-invoer van die laser tydens die sweisproses groot is, sal die mikrostruktuur van die bekledingslaag tot 'n sekere mate grof word, en die korrelgrootte sal toeneem. Op hierdie tydstip sal die struktuur oorverhitte widmanstatteniet en latte martensiet voorkom, en die twee strukture is verspring.

Die chemiese samestelling is ontleed deur puntskandering op verskillende posisies van die monster deursnit. Die puntskanderingposisies word in Figuur 7 getoon, en die EDS-ontledingsresultate van verskillende areas word in Tabel 3 getoon. As gevolg van die hoë inhoud van Cr- en Ni-elemente in die sweisdraad, is die Cr- en Ni-inhoud van die bekledingslaag aansienlik hoër as dié van die moedermateriaal, wat die korrosiebestandheid van die bekledingslaag beter maak as dié van die moedermateriaal.

2.4 Mikrohardheidsanalise van bekledingslaag
Die mikrohardheid van die monster is gemeet. Tydens die toets was die las 1000 g, die houtyd was 10 s, die meetpad was langs die rigting van die moedermateriaal na die bekledingsarea, en die interval tussen twee aangrensende monsternemingspunte was 1 mm. Die mikrohardheidsverspreiding vanaf die moedermateriaal na die bekledingsarea word in Figuur 8 getoon. Die gemiddelde mikrohardheid van die moedermateriaal is 172.02 HV, en die gemiddelde mikrohardheid van die bekledingslaag is 320.13 HV. Die mikrostruktuur van die laaste bekledingslaag bevat 'n groot hoeveelheid ferriet, widmanstatteniet en 'n klein hoeveelheid latte martensiet en perliet. Die hardheidwaarde van hierdie mikrostruktuurarea is die hoogste, wat 325.92HV is. Die gemiddelde hardheid van die bekledingslaag is baie hoër as dié van die moedermateriaal, en voldoen aan die vereistes van herstelsterkte. Soos getoon in Figuur 8, word die hardheid van die bekledingsarea oor die algemeen op 'n trapagtige wyse versprei. Dit is omdat in die proses van meerlaag- en meervoudige laserdraadvulling, elke bekledingslaag 'n naverhitting-temperingseffek op die vorige laag sal hê tydens die vormingsproses, en 'n voorverhittingseffek op die volgende laag. Die laaste bekledingslaag het 'n voorverhittingseffek sonder naverhitting-tempering, wat eenvormige korrelverfyning bevorder en hardheid aansienlik verbeter.

2.5 Analise van korrosiebestandheid van bekledingslaag
Die meeste metaalkorrosie word uitgevoer in die vorm van elektrochemiese korrosie, en die korrosieproses gaan gepaard met die opwekking van stroom, net soos 'n primêre battery [13-14]. Ten einde die elektrochemiese korrosieprestasie van die multi-laag en multi-pass bekleding laag te toets, is die monster in 'n 3.5% NaCl oplossing geplaas om sy Tafel polarisasie kurwe en impedansie spektrum te toets.

Die polarisasiekrommes van die bekledingslaag en die basismateriaal word in Figuur 9 getoon. Daar kan gesien word dat die polarisasiekurwe van die bekledingslaag 'n passiveringsgebied het, wat aandui dat 'n digte oksiedfilm op die oppervlak van die bekledingslaag gevorm word tydens die korrosie proses. Die elemente soos Cr, Ni en Si in die oksiedfilm verbeter die passiveringsstabiliteit, belemmer die diffusie van ione en verbeter die weerstand teen korrosie. Die selfkorrosiepotensiaal Ecorr en selfkorrosiestroomdigtheid Icorr van die bekledingslaag en die basismateriaal word verkry deur datapassing, soos getoon in Tabel 4. Die selfkorrosiepotensiaal Ecorr van 'n metaal in 'n elektrolietoplossing weerspieël die sensitiwiteit daarvan vir korrosie en is 'n aanduiding van die materiaal se weerstand teen elektrochemiese korrosie. Hoe kleiner die selfkorrosiepotensiaal, hoe makliker is dit vir die metaal om elektrone te verloor en hoe swakker is sy korrosieweerstand; hoe groter die selfkorrosiepotensiaal, hoe moeiliker is dit vir die metaal om elektrone te verloor en hoe sterker is sy korrosieweerstand[14]. Soos uit Tabel 4 gesien kan word, is die selfkorrosiepotensiaal van die bekledingslaag hoër as dié van die basismateriaal, wat aandui dat die bekledingslaag sterk korrosiebestandheid het. Die selfkorrosiestroomdigtheid Icorr is eweredig aan die korrosietempo. Hoe groter die korrosiestroom, hoe vinniger is die korrosietempo van die materiaal en hoe slegter die korrosieweerstand. Soos gesien kan word uit die data in Tabel 4, is die selfkorrosiestroom van die basismateriaal hoër as dié van die bekledingslaag, wat aandui dat die korrosieweerstand van die basismateriaal swak is. Deur dus die grootte van die selfkorrosiepotensiaal en die selfkorrosiestroom te vergelyk, kan die gevolgtrekking gemaak word dat die korrosieweerstand van die bekledingslaag beter is as dié van die basismateriaal.

Die bekledingslaag en die basismateriaal is deur impedansiespektroskopie (EIS) getoets, en die impedansiespektrum Nyquist plotte van die twee monsters word in Figuur 10 getoon. Z' en Z" is die werklike en denkbeeldige dele van die gemete impedansie Z, onderskeidelik . Beide die bekledingslaag en die basismateriaal bied 'n enkele kapasitiewe boogkenmerk. Hoe groter die kapasitiewe boogradius, hoe groter is die totale impedansie van die monster en hoe sterker is die korrosieweerstand. Soos getoon in Figuur 10, is die kapasitiewe boogradius van die bekledingslaag aansienlik groter as dié van die basismateriaal. Daarom is die polarisasieweerstand van die bekledingslaag groter, wat aandui dat die korrosietempo van die bekledingslaag laer is en die korrosieweerstand sterker is, wat ooreenstem met die resultate van die dinamiese potensiaalpolarisasiekurwe.

Samevattend, die korrosiebestandheid van die bekledingslaag is beter as dié van die basismateriaal. Eerstens gebruik die bekledingsmateriaal AFEW6-86 sweisdraad, wat 'n hoër Cr- en Ni-inhoud as die basismateriaal het, sodat die bekledingslaag 'n hoër oksidasie- en korrosieweerstand het. In 'n korrosiewe omgewing, wanneer Cr met O-elemente reageer, sal 'n laag korrosiebestande oksiedfilm op die oppervlak gevorm word, wat die metaaloppervlak van die korrosiewe medium sal skei, die ontbindingsproses van die anode sal verminder en die oplossing sal verminder. tempo van die bekledingsmetaal, en sodoende die korrosiebestandheid van die bekledingslaag verbeter. Die weerstand teen korrosie word verbeter[15-16]. Die tweede rede is dat die korrelgrootteverspreiding in die bekledingslaag meer eenvormig is as gevolg van die toename in hitte-insette.

3 Gevolgtrekking
(1) Die bekledingslaag verkry deur die multi-laag en multi-pass laser draad sweis proses het goeie makroskopiese vorming, geen ooglopende defekte soos porieë en krake nie, en 'n goeie metallurgiese binding word tussen die bekledingslaag en die moedermateriaal gevorm. Daar is 'n aansienlike vertikale ophoping, en die dikte van die bekledingslaag is 11.5 mm.
(2) Die bekledingslaag bestaan ​​hoofsaaklik uit ferriet, widmanstatten en latte martensiet. Die Cr- en Ni-inhoud in die bekledingslaag is hoër as dié in die moedermateriaal. Cr- en Ni-elemente verbeter die stabiliteit van die passiveringsfilm, belemmer die diffusie van ione en verbeter die oksidasieweerstand en korrosieweerstand van die bekledingslaag. Daarbenewens, as gevolg van die toename in hitte-insette, is die korrelgrootteverspreiding in die bekledingslaag meer eenvormig, dus is die korrosiebestandheid van die bekledingslaag beter as dié van die moedermateriaal.
(3) Die gemiddelde hardheid van die moedermateriaal is 172.02HV, en die gemiddelde hardheid van die bekledingslaag is 320.13HV, die hardheid van die bekledingslaag is baie hoër as dié van die moedermateriaal. As gevolg van die invloed van mikrostruktuur en korrelgrootte toon die hardheid van die bekledingsarea 'n trapagtige verspreidingstendens as geheel.