Методът на кръстосано ортогонално подреждане беше използван за извършване на многослойни и многопроходни облицовка на лазерна тел върху плоча от нисковъглеродна стомана Q20B с дебелина 345 mm и са изследвани макроскопската морфология, микроструктура, фазов състав, микротвърдост и устойчивост на корозия на облицовъчния слой. Резултатите показват, че облицовъчният слой, получен чрез процеса на многослойно и многопроходно лазерно запълване на проводници, има добро макроскопично образуване и няма очевидни дефекти като пори и пукнатини; облицовъчният слой се състои главно от облицовъчна зона, зона на припокриване, зона, засегната от промяна на фазата, зона на топене и зона, засегната от топлина; структурата на основния материал е главно ферит и перлит, а микроструктурата на облицовъчния слой е главно ферит, видманщатен и мартензит; поради влиянието на микроструктурата и размера на зърното, твърдостта на облицовъчния слой като цяло е стъпаловидна, а средната твърдост на облицовъчния слой е 320.13 HV, което е по-високо от това на основния материал; в 3.5% разтвор на NaCl, поляризационната крива на облицовъчния слой показва област на пасивиране и неговата устойчивост на корозия е по-добра от тази на основния материал. Процесът на облицовка с многослойно и многопроходно лазерно запълване на проводници може да отговори на изискванията за подготовка на облицовъчните слоеве в действителното инженерство.
Ключови думи: нисковъглеродна стомана Q345B; облицовка на лазерна тел; кръстосано ортогонално подреждане; микроструктура и свойства

С развитието на икономиката и обществото търсенето на моята страна на морски ресурси от нефт и газ продължава да нараства. Фокусирането върху проучването и разработването на морски ресурси е практическа необходимост за развитието на петролната промишленост на моята страна [1-2]. Поради сложната сервизна среда на морските инженерни конструкции, те са по-податливи на повреди от традиционните конструкции. Следователно ежедневната поддръжка на морското инженерно оборудване се превърна в ключов проблем, който трябва да бъде решен спешно [3]. Стоманата Q345B е нисколегирана стомана с висока якост с добри цялостни свойства и отлична заваряемост. Той се използва широко в морското инженерство и мостостроенето [4].

Като усъвършенствана технология за защитно и ремонтно покритие, лазерното облицоване осигурява ефективен процес на формиране на почти мрежова форма за високопрецизен ремонт на ключови части и подготовка на покрития с усъвършенствани свойства на материала [5]. По време на процеса на многослойно и многопроходно облицоване, засегнатите от топлина зони на съседни заварки се припокриват, образувайки зони, които са претърпели два или повече термични цикъла. Микроструктурата на тези области е особено сложна [6] и фазата на микроструктурния състав, скоростта на прекристализация, мащабът на утайката и морфологията на включването се променят непрекъснато по време на процеса [7]. Следователно, по време на процеса на многослойно и многопроходно облицоване, често има слаби точки в областта на облицовката, които са предразположени към повреда по време на употреба. Например, електролитна корозия и корозия под напрежение често се наблюдават в близост до заварените съединения на съдове под налягане по време на употреба [8].

Wu и др. [9] използвани лазерна технология за облицовка за приготвяне на непрекъснат и плътен облицовъчен слой Mo2NiB2 върху стоманен субстрат. Покритието има висока твърдост, добра устойчивост на износване и устойчивост на корозия, подобрява работата на субстрата и осигурява безопасно и стабилно обслужване на морското инженерно оборудване. Li et al. [10] използва облицовка с лазерна тел, за да поправи корозиралите части на повърхността от неръждаема стомана 316L и получи многослоен многопроходен облицовъчен слой от неръждаема стомана 308L. Покритието се състои главно от аустенит и малко количество ферит, с якост на опън и удължение съответно 548MPa и 40%, което е около 86% и 74% от субстрата.

В тази книга, лазерна технология за облицовка на проводници се използва за подготовка на слой за лазерна облицовка Q345B чрез кръстосано ортогонално подреждане. Изследвани са макроскопската морфология, микроструктура, фазов състав, микротвърдост и устойчивост на корозия на многослойния многопроходен облицовъчен слой, който дава основа за ремонт на място на корабни инженерни съоръжения.

1 Експеримент с лазерно облицоване на проводници

1.1 Експериментални материали

Експерименталният субстратен материал е въглеродна стомана Q345B, а материалът за облицовка на проводника е тел от легирана стомана AFEW6-86 с диаметър 1.2 mm. Химическият състав на двете е показан в таблица 1.

1.2 Процес на многослойно и многопроходно лазерно облицоване на проводници
В действителните инженерни приложения детайлът ще бъде засегнат от сили в различни посоки по време на работа, така че трябва да се вземе предвид влиянието на анизотропията. За да се намали влиянието на анизотропията, пътят на облицовъчния слой е планиран, допълнителната посока на заваръчните шевове в същия слой е последователна, посоките на заваръчните шевове в съседните слоеве на подреждане са перпендикулярни един на друг и слоевете са ортогонален. Неговият кръстосано ортогонален път на подреждане е показан на фигура 1.

По време на експеримента с облицовката, защитният газ е чист газ аргон с чистота на газа 99.99%. Първо, беше проведен ортогонален експеримент с помощта на еднослоен метод за облицовка с едно преминаване, за да се изследват оптималните параметри на процеса за облицовка с едно преминаване; след това беше използван метод за многослойно еднопроходно подреждане за изследване на влиянието на височината на повдигане между слоевете върху качеството на формоване на заварката и беше получена многослойна еднопроходна заварка с прав облицовъчен слой и добър ефект на формоване. Въз основа на горното беше изследвано влиянието на различните степени на припокриване върху качеството на формоване на облицовъчния слой и беше установено, че когато степента на припокриване е 40%, височината между всяко преминаване на облицовъчния слой е относително равномерна, образуването на повърхността е относително плоско и металургичното свързване между всеки проход е най-силно. Височината на повдигане между експерименталните слоеве е 0.8 mm за всеки от първите два слоя и 0.7 mm за всеки от следващите слоеве. Специфичните експериментални параметри са показани в таблица 2.

1.3 Метод за анализ и изпитване на облицовъчен слой
Използва се рязане на тел за изрязване на металографски проби от подготвения многослоен и многопроходен облицовъчен слой. Повърхността на пробата се шлайфа, след като се вгради в епоксидна смола при стайна температура. За полиране се използва шкурка с различна грапавост, докато не останат драскотини. След това пробата се полира с полираща машина, за да се получи металографско напречно сечение на пробата с огледален ефект. Пробата беше корозирала с 4% алкохолен разтвор на азотна киселина, за да се ецва видимата граница на облицовъчния слой, изплакната с алкохол и изсушена с продухване и микроструктурата на пробата беше наблюдавана с металографски микроскоп; фазовият състав и еволюцията на облицовъчния слой бяха сканирани и анализирани в диапазона от 30°~100° с помощта на технология за рентгенова дифракция; химичният елементен анализ на облицовъчния слой е извършен с помощта на енергиен спектрометър; микротвърдостта на различни участъци от напречното сечение на облицовъчния слой е тествана с помощта на твърдомер HVS-1000Z по Vickers; поляризационните криви и спектрите на импеданса на облицовъчния слой и основния материал бяха тествани в 3.5% разтвор на NaCl с помощта на електрохимична работна станция VersaSTAT 3F с наситен каломелов електрод като референтен електрод и платинен електрод като спомагателен електрод и тяхната устойчивост на корозия беше сравнен и анализиран.

2 Експериментални резултати и анализ
2.1 Макроморфологичен анализ на облицовъчния слой
Облицовъчният слой, напълнен с лазерна тел, беше подготвен чрез експеримент с кръстосано ортогонално подреждане от 29 (дължина) × 15 (ширина) × 12 слоя (височина). Облицовъчният слой има добър оформящ ефект, гладка повърхност, без макродефекти като пукнатини и неслепени и очевидна вертикална височина. Макроскопичната морфология на облицовъчния слой е показана на Фигура 2. По време на многослойния многопроходен експеримент за облицовка с лазерна тел, процесът на облицовка на последния слой ще доведе до реакция на претопяване на предишния облицовъчен слой, което води до поток надолу при ръба на облицовъчния слой. В същото време, по време на процеса на облицовка, поради известно забавяне в инструкциите за начало и край на изхода на лазерната светлина, височината на ръба на облицовъчния слой ще бъде малко по-ниска от средната част.

Фигура 3 показва морфологията на напречното сечение на многослойния многопроходен лазерен облицовъчен слой. Не бяха открити дефекти като пори, пукнатини и включвания. Образува се плътна металургична връзка между облицовъчния метал и основния материал. Имаше очевидна вертикална височина, а дебелината на облицовъчния слой беше 11.5 mm.

2.2 Анализ на микроструктурата на облицовъчния слой
Охлаждането на заваръчната вана е процес на фазова промяна, а микроструктурата на фазовата промяна зависи от химичния състав и условията на охлаждане на заваръчния метал [11]. Микроструктурата на всяка област на облицовъчния слой беше наблюдавана с помощта на металографски микроскоп, както е показано на Фигура 4. Облицовъчният слой включва зоната на облицовката (облицовъчна зона, CZ), наслагващата зона (запокрита зона, OZ), фазата зона, засегната от преход (зона, засегната от фазов преход, PAZ), зона на топене (зона на топене, FZ), зона, засегната от топлина (зона, засегната от топлина, HAZ) и основния метал (основен метал, BM) [12]. Микроструктурата на основния метал се състои главно от ферит и малко количество перлит. Основният елемент Mn, добавен към стоманата Q345B, не само има значително укрепващо действие върху ферита, но също така намалява температурата на преход якост-крехкост, увеличава количеството на перлит и подобрява здравината на перлита.

Фигура 4 (а) показва микроструктурата на зоната на облицовката вътре в облицовъчния слой, който се състои от летвен и игловиден ферит, видманщатен и малко количество летвен мартензит. Благодарение на различните слоеве, всеки облицовъчен слой ще произведе темпериращ ефект върху предишния слой, което води до равномерно усъвършенстване на зърното и ясни граници на зърното; Фигури 4 (b) и (b-1) показват микроструктурата на областта на топене, която е съставена от ферит и видманстатен с неравномерно разпределение на зърната; Фигура 4 (d) показва микроструктурата на зоната на припокриване на две заварки вътре в облицовъчния слой. Светлата област на фигурата е линията на сливане между двете заварки. По време на процеса на охлаждане, разтопеният басейн ще образува колонен ферит по посока на разсейване на топлината. Следователно тази област е съставена главно от колонен ферит и малко количество перлит, както е показано на фигура 4 (d-1). Благодарение на двойното термично действие, зоната на припокриване има равномерно усъвършенстване на зърното; Фигура Фигура 4 (d-2) е зоната, засегната от фазовата трансформация, която се състои главно от ферит и Widmanstatten. Поради влиянието на топлината на фазовата трансформация, размерът на зърното в тази област е малко по-голям от този на зоната на припокриване; Фигура 4 (e-1) е микроструктурата на засегнатата от топлина зона. По време на процеса на заваряване долната зона на облицовката се подлага на темпериране, което прави структурата на тази област рафинирана и разпределението на зърната равномерно. Състои се главно от финозърнест ферит и малко количество перлит. Финозърнестият ферит е продукт на трансформация между ферит и бейнит. Това е полезна микроструктура в металургичния процес на заваряване [11].

Фигура 5 е микроструктурата на последния облицовъчен слой. Този слой не е подложен на лазерно вторично нагряване. В сравнение с други слоеве, той може да поддържа оригиналната морфология на структурата. Зърнистостта му е еднаква и структурата е плътна. Състои се главно от ферит, видманщатен и летвен мартензит.

2.3 XRD и EDS анализ на облицовъчен слой
За да се анализира фазовият състав на лазерния облицовъчен слой, проба с размери 10 mm × 10 mm × 8 mm беше изрязана чрез рязане с тел и беше извършен рентгенов дифракционен тест след шлайфане и полиране. Фигура 6 показва XRD спектър на многослоен многопроходен лазерен облицовъчен слой и основен материал. Комбинирайки резултатите от микроструктурата и XRD спектъра, може да се види, че облицовъчният слой е съставен главно от голямо количество ферит, част от мартензит и видманстатенит, и не се появяват други вредни фази. Тъй като колонният ферит ще се образува в процеса на охлаждане на разтопения басейн с лазерна облицовка, облицовъчният слой съдържа голямо количество ферит. Когато входящата топлина на лазера е голяма по време на процеса на заваряване, микроструктурата на облицовъчния слой ще загрубее до известна степен и размерът на зърното ще се увеличи. По това време структурата ще изглежда прегрят видманстатенит и летвен мартензит и двете структури са разместени.

Химичният състав се анализира чрез точково сканиране в различни позиции на напречното сечение на пробата. Позициите на точковото сканиране са показани на Фигура 7, а резултатите от EDS анализа на различни области са показани в Таблица 3. Поради високото съдържание на Cr и Ni елементи в заваръчната тел, съдържанието на Cr и Ni в облицовъчния слой е значително по-висока от тази на основния материал, което прави устойчивостта на корозия на облицовъчния слой по-добра от тази на основния материал.

2.4 Анализ на микротвърдостта на облицовъчния слой
Измерена е микротвърдостта на пробата. По време на теста натоварването беше 1000 g, времето на задържане беше 10 s, пътят на измерване беше по посока от основния материал към зоната на облицовката, а интервалът между две съседни точки за вземане на проби беше 1 mm. Разпределението на микротвърдостта от основния материал до зоната на облицовката е показано на фигура 8. Средната микротвърдост на основния материал е 172.02 HV, а средната микротвърдост на облицовъчния слой е 320.13 HV. Микроструктурата на последния облицовъчен слой съдържа голямо количество ферит, видманстатенит и малко количество летвен мартензит и перлит. Стойността на твърдостта на тази област на микроструктурата е най-висока, която е 325.92HV. Средната твърдост на облицовъчния слой е много по-висока от тази на основния материал, отговаряйки на изискванията за ремонтна якост. Както е показано на фигура 8, твърдостта на зоната на облицовката обикновено се разпределя стъпаловидно. Това е така, защото в процеса на многослойно и многопроходно запълване с лазерна тел, всеки облицовъчен слой ще има темпериращ ефект след нагряване върху предишния слой по време на процеса на формиране и ефект на предварително нагряване върху следващия слой. Последният облицовъчен слой има ефект на предварително нагряване без темпериране след нагряване, което спомага за равномерно рафиниране на зърното и значително подобрява твърдостта.

2.5 Анализ на устойчивостта на корозия на облицовъчния слой
По-голямата част от металната корозия се извършва под формата на електрохимична корозия и процесът на корозия е придружен от генериране на ток, точно като първична батерия [13-14]. За да се тества ефективността на електрохимичната корозия на многослойния и многопроходен облицовъчен слой, образецът беше поставен в 3.5% разтвор на NaCl, за да се тества неговата поляризационна крива на Tafel и спектър на импеданс.

Поляризационните криви на облицовъчния слой и основния материал са показани на фигура 9. Може да се види, че поляризационната крива на облицовъчния слой има област на пасивиране, което показва, че върху повърхността на облицовъчния слой се образува плътен оксиден филм по време на процеса на корозия. Елементите като Cr, Ni и Si в оксидния филм подобряват стабилността на пасивиране, възпрепятстват дифузията на йони и подобряват устойчивостта на корозия. Потенциалът на самокорозия Ecorr и плътността на тока на самокорозия Icorr на облицовъчния слой и основния материал се получават чрез напасване на данни, както е показано в таблица 4. Потенциалът на самокорозия Ecorr на метал в електролитен разтвор отразява неговата чувствителност към корозия и е индикатор за устойчивостта на материала към електрохимична корозия. Колкото по-малък е потенциалът за самокорозия, толкова по-лесно е за метала да губи електрони и толкова по-слаба е неговата устойчивост на корозия; колкото по-голям е потенциалът за самокорозия, толкова по-трудно е за метала да губи електрони и толкова по-силна е неговата устойчивост на корозия[14]. Както може да се види от Таблица 4, потенциалът за самокорозия на облицовъчния слой е по-висок от този на основния материал, което показва, че облицовъчният слой има силна устойчивост на корозия. Плътността на тока на самокорозия Icorr е пропорционална на скоростта на корозия. Колкото по-голям е токът на корозия, толкова по-бърза е скоростта на корозия на материала и толкова по-лоша е устойчивостта на корозия. Както може да се види от данните в таблица 4, токът на самокорозия на основния материал е по-висок от този на облицовъчния слой, което показва, че устойчивостта на корозия на основния материал е лоша. Следователно, чрез сравняване на размера на потенциала за самокорозия и тока на самокорозия, може да се заключи, че устойчивостта на корозия на облицовъчния слой е по-добра от тази на основния материал.

Облицовъчният слой и основният материал са тествани чрез импедансна спектроскопия (EIS) и диаграмите на Найкуист в спектъра на импеданса на двете проби са показани на Фигура 10. Z' и Z” са съответно реалната и въображаемата част на измерения импеданс Z . Както облицовъчният слой, така и основният материал представят една характеристика на капацитивната дъга. Колкото по-голям е радиусът на капацитивната дъга, толкова по-голям е общият импеданс на пробата и толкова по-голяма е устойчивостта на корозия. Както е показано на фигура 10, радиусът на капацитивната дъга на облицовъчния слой е значително по-голям от този на основния материал. Следователно поляризационното съпротивление на облицовъчния слой е по-голямо, което показва, че скоростта на корозия на облицовъчния слой е по-ниска и устойчивостта на корозия е по-силна, което е в съответствие с резултатите от поляризационната крива на динамичния потенциал.

В обобщение, устойчивостта на корозия на облицовъчния слой е по-добра от тази на основния материал. Първо, облицовъчният материал използва заваръчна тел AFEW6-86, която има по-високо съдържание на Cr и Ni от основния материал, така че облицовъчният слой има по-висока устойчивост на окисляване и устойчивост на корозия. В корозивна среда, когато Cr реагира с O елементи, върху повърхността ще се образува слой от устойчив на корозия оксиден филм, който ще отдели металната повърхност от корозивната среда, ще намали процеса на разтваряне на анода и ще намали разтварянето скорост на облицовъчния метал, като по този начин се подобрява устойчивостта на корозия на облицовъчния слой. Устойчивостта на корозия е подобрена [15-16]. Втората причина е, че разпределението на размера на зърната в облицовъчния слой е по-равномерно поради увеличаването на вложената топлина.

3 Заключение
(1) Облицовъчният слой, получен чрез многослойно и многопроходно преминаване процес на лазерно заваряване на тел има добро макроскопично образуване, няма очевидни дефекти като пори и пукнатини и се образува добра металургична връзка между облицовъчния слой и основния материал. Има значително вертикално натрупване, а дебелината на облицовъчния слой е 11.5 мм.
(2) Облицовъчният слой се състои главно от ферит, видманщатен и летвен мартензит. Съдържанието на Cr и Ni в облицовъчния слой е по-високо от това в основния материал. Елементите Cr и Ni подобряват стабилността на пасивиращия филм, възпрепятстват дифузията на йони и подобряват устойчивостта на окисляване и устойчивостта на корозия на облицовъчния слой. В допълнение, поради увеличаването на вложената топлина, разпределението на размера на зърната в облицовъчния слой е по-равномерно, така че устойчивостта на корозия на облицовъчния слой е по-добра от тази на основния материал.
(3) Средната твърдост на основния материал е 172.02HV, а средната твърдост на облицовъчния слой е 320.13HV, твърдостта на облицовъчния слой е много по-висока от тази на основния материал. Поради влиянието на микроструктурата и размера на зърното, твърдостта на зоната на облицовката показва стъпаловидна тенденция на разпределение като цяло.