Den tvær ortogonale stablingsmetode blev brugt til at udføre multi-lag og multi-pass lasertrådsbeklædning på en 20 mm tyk Q345B stålplade med lavt kulstofindhold, og beklædningslagets makroskopiske morfologi, mikrostruktur, fasesammensætning, mikrohårdhed og korrosionsbestandighed blev undersøgt. Resultaterne viser, at beklædningslaget opnået ved flerlags- og multi-pass lasertrådfyldningsprocessen har en god makroskopisk dannelse og ingen åbenlyse defekter såsom porer og revner; beklædningslaget er hovedsageligt sammensat af beklædningszone, overlapningszone, faseændringspåvirket zone, fusionszone og varmepåvirket zone; grundmaterialets struktur er hovedsageligt ferrit og perlit, og beklædningslagets mikrostruktur er hovedsageligt ferrit, widmanstatten og martensit; på grund af indflydelsen af ​​mikrostruktur og kornstørrelse er beklædningslagets hårdhed overordnet trinvist, og beklædningslagets gennemsnitlige hårdhed er 320.13 HV, hvilket er højere end modermaterialets; i 3.5 % NaCl-opløsning viser polarisationskurven for beklædningslaget et passiveringsområde, og dets korrosionsbestandighed er bedre end modermaterialets. Flerlags- og multi-pass lasertrådfyldning af beklædningsprocessen kan opfylde forberedelseskravene til beklædningslag i egentlig konstruktion.
Nøgleord: Q345B lavkulstofstål; lasertrådsbeklædning; tvær ortogonal stabling; mikrostruktur og egenskaber

Med udviklingen af ​​økonomien og samfundet fortsætter mit lands efterspørgsel efter marine olie- og gasressourcer med at stige. Fokus på efterforskning og udvikling af marine ressourcer er et praktisk behov for udviklingen af ​​mit lands olieindustri [1-2]. På grund af det komplekse servicemiljø for marinetekniske strukturer er de mere modtagelige for skader end traditionelle strukturer. Derfor er den daglige vedligeholdelse af skibsteknisk udstyr blevet et nøgleproblem, der skal løses omgående [3]. Q345B stål er et lavlegeret højstyrkestål med gode omfattende egenskaber og fremragende svejsbarhed. Det er meget udbredt i marineteknik og brokonstruktion [4].

Som en avanceret beskyttelses- og reparationsbelægningsteknologi giver laserbeklædning en effektiv formgivningsproces til næsten-net-form til højpræcisionsreparation af nøgledele og klargøring af belægninger med avancerede materialeegenskaber [5]. Under flerlags- og multi-pass beklædningsprocessen overlapper de varmepåvirkede zoner af tilstødende svejsninger og danner områder, der har gennemgået to eller flere termiske cyklusser. Mikrostrukturen af ​​disse områder er særlig kompleks [6], og mikrostrukturens sammensætningsfase, rekrystallisationshastighed, bundfaldsskala og inklusionsmorfologi ændres kontinuerligt gennem hele processen [7]. Derfor er der under flerlags- og multi-pass beklædningsprocessen ofte svage punkter i beklædningsområdet, som er tilbøjelige til at gå i stykker under brug. For eksempel observeres elektrolytisk korrosion og spændingskorrosion ofte nær de svejsede samlinger af trykbeholdere under brug [8].

Wu et al. [9] brugt laserbeklædningsteknologi at forberede et kontinuerligt og tæt Mo2NiB2 beklædningslag på et stålunderlag. Belægningen har høj hårdhed, god slidstyrke og korrosionsbestandighed, forbedrer substratets ydeevne og sikrer sikker og stabil service af marineteknisk udstyr. Li et al. [10] brugte lasertrådsbeklædning til at reparere de korroderede dele af 316L rustfri ståloverflade og opnåede et flerlagsbeklædningslag af 308L rustfrit stål. Belægningen er hovedsageligt sammensat af austenit og en lille mængde ferrit, med en trækstyrke og forlængelse på henholdsvis 548MPa og 40%, hvilket er omkring 86% og 74% af underlaget.

I dette papir, lasertrådsbeklædningsteknologi bruges til at forberede Q345B laserbeklædningslag ved tvær ortogonal stabling. Den makroskopiske morfologi, mikrostruktur, fasesammensætning, mikrohårdhed og korrosionsbestandighed af flerlags multi-pass beklædningslaget studeres, hvilket giver grundlag for reparation på stedet af skibstekniske strukturer.

1 Eksperiment med lasertrådsbeklædning

1.1 Eksperimentelle materialer

Det eksperimentelle substratmateriale er Q345B kulstofstål, og trådbeklædningsmaterialet er AFEW6-86 legeret ståltråd med en diameter på 1.2 mm. De kemiske sammensætninger af de to er vist i tabel 1.

1.2 Flerlags- og multi-pas lasertrådsbeklædningsproces
I faktiske tekniske applikationer vil emnet blive påvirket af kræfter i forskellige retninger under drift, så påvirkningen af ​​anisotropi skal overvejes. For at reducere påvirkningen af ​​anisotropi planlægges beklædningslagets vej, den additive retning af svejsningerne i det samme lag er konsistente, retningerne af svejsningerne i tilstødende stablingslag er vinkelrette på hinanden, og lagene er ortogonal. Dens tvær-ortogonale stablebane er vist i figur 1.

Under beklædningsforsøget er beskyttelsesgassen ren argongas med en gasrenhed på 99.99 %. Først blev der udført et ortogonalt eksperiment ved hjælp af en enkelt-lags enkelt-pass beklædningsmetode for at udforske de optimale procesparametre for single-pass beklædning; derefter blev der anvendt en flerlags enkelt-pass stablingsmetode til at studere løftehøjden mellem lags indflydelse på svejseformningskvaliteten, og en flerlags enkelt-pass svejsning med et lige beklædningslag og god formningseffekt blev opnået. På baggrund af ovenstående blev indflydelsen af ​​forskellige overlapningsrater på beklædningslagets formningskvalitet undersøgt, og det viste sig, at når overlapningsraten var 40 %, var højden mellem hver passage af beklædningslaget relativt ensartet. overfladedannelsen var forholdsvis flad, og den metallurgiske binding mellem hver passage var den stærkeste. Løftehøjden mellem forsøgslagene er 0.8 mm for hvert af de to første lag og 0.7 mm for hvert af de efterfølgende lag. De specifikke eksperimentelle parametre er vist i tabel 2.

1.3 Analyse og testmetode af beklædningslag
Trådskæring blev brugt til at skære metallografiske prøver fra det forberedte flerlags- og multi-pass beklædningslag. Prøveoverfladen blev slebet efter at være blevet indlejret med epoxyharpiks ved stuetemperatur. Sandpapir af forskellig ruhed blev brugt til at polere, indtil der ikke var nogen ridser tilbage. Derefter blev prøven poleret med en polermaskine for at opnå et metallografisk prøvetværsnit med en spejleffekt. Prøven blev korroderet med 4% salpetersyrealkoholopløsning for at udætse den synlige beklædningslags grænseflade, skyllet med alkohol og blæst tør, og prøvens mikrostruktur blev observeret med et metallografisk mikroskop; fasesammensætningen og udviklingen af ​​beklædningslaget blev scannet og analyseret i området 30°~100° ved anvendelse af røntgendiffraktionsteknologi; den kemiske elementanalyse af beklædningslaget blev udført ved anvendelse af et energispektrometer; mikrohårdheden af ​​forskellige områder af beklædningslagets tværsnit blev testet ved hjælp af en HVS-1000Z Vickers hårdhedstester; polarisationskurverne og impedansspektrene for beklædningslaget og modermaterialet blev testet i en 3.5% NaCl-opløsning under anvendelse af en VersaSTAT 3F elektrokemisk arbejdsstation med en mættet calomel-elektrode som referenceelektrode og en platinelektrode som hjælpeelektrode, og deres korrosionsbestandighed blev sammenlignet og analyseret.

2 Eksperimentelle resultater og analyse
2.1 Makromorfologisk analyse af beklædningslag
Det lasertrådfyldte beklædningslag blev fremstillet ved et tvær-ortogonalt stablingsforsøg på 29 (længde) × 15 (bredde) × 12 lag (højde). Beklædningslaget har en god formende effekt, en glat overflade, ingen makrofejl som revner og usammensmeltede samt tydelig lodret højde. Beklædningslagets makroskopiske morfologi er vist i figur 2. Under flerlags multi-pas lasertrådsbeklædningseksperimentet vil beklædningsprocessen i sidstnævnte lag frembringe en omsmeltningsreaktion på det foregående beklædningslag, hvilket resulterer i en nedadgående strømning kl. kanten af ​​beklædningslaget. Samtidig, under beklædningsprocessen, på grund af en vis forsinkelse i start- og slutinstruktionerne for laserlysoutput, vil højden af ​​kanten af ​​beklædningslaget være lidt lavere end midterdelen.

Figur 3 viser tværsnitsmorfologien af ​​flerlags multi-pas laserbeklædningslaget. Der blev ikke fundet defekter som porer, revner og indeslutninger. En tæt metallurgisk binding blev dannet mellem beklædningsmetallet og basismaterialet. Der var tydelig lodret højde, og tykkelsen af ​​beklædningslaget var 11.5 mm.

2.2 Mikrostrukturanalyse af beklædningslag
Afkølingen af ​​svejsebadet er en faseændringsproces, og mikrostrukturen af ​​faseændringen afhænger af svejsemetallets kemiske sammensætning og kølebetingelser [11]. Mikrostrukturen af ​​hvert område af beklædningslaget blev observeret ved hjælp af et metallografisk mikroskop, som vist i figur 4. Beklædningslaget omfatter beklædningszonen (beklædt zone, CZ), overlejringszonen (overlappet zone, OZ), fasen overgangsberørt zone (faseovergangsberørt zone, PAZ), fusionszonen (fusionszone, FZ), den varmepåvirkede zone (varmepåvirket zone, HAZ) og uædle metallet (uædle metaller, BM) [12]. Grundmetalmikrostrukturen består hovedsageligt af ferrit og en lille mængde perlit. Hovedelementet Mn tilføjet til Q345B stål har ikke kun en betydelig styrkende effekt på ferrit, men reducerer også sejhed-skørhed overgangstemperaturen, øger mængden af ​​perlit og forbedrer styrken af ​​perlit.

Figur 4 (a) viser mikrostrukturen af ​​beklædningsområdet inde i beklædningslaget, som er sammensat af lægte- og nåleformet ferrit, widmanstatten og en lille mængde lægtemartensit. På grund af de forskellige lag vil hvert beklædningslag give en tempererende effekt på det foregående lag, hvilket resulterer i ensartet kornforfining og klare korngrænser; Figur 4 (b) og (b-1) viser mikrostrukturen af ​​fusionsområdet, som er sammensat af ferrit og widmanstatten med ujævn kornfordeling; Figur 4 (d) viser mikrostrukturen af ​​overlapningsområdet af to svejsninger inde i beklædningslaget. Det lyse område i figuren er smeltelinjen mellem de to svejsninger. Under afkølingsprocessen vil den smeltede pool danne søjleformet ferrit langs varmeafledningsretningen. Derfor er dette område hovedsageligt sammensat af søjleformet ferrit og en lille mængde perlit, som vist i figur 4 (d-1). På grund af den dobbelte termiske virkning har overlapningsområdet ensartet kornforfining; Figur Figur 4 (d-2) er det fasetransformationsberørte område, som hovedsageligt er sammensat af ferrit og Widmanstatten. På grund af påvirkningen af ​​fasetransformationsvarme er kornstørrelsen af ​​dette område lidt større end overlapningsområdet; Figur 4 (e-1) er mikrostrukturen af ​​den varmepåvirkede zone. Under svejseprocessen gennemgår det nederste beklædningsområde en temperering, hvilket gør strukturen af ​​dette område raffineret og kornfordelingen ensartet. Det er hovedsageligt sammensat af finkornet ferrit og en lille mængde perlit. Finkornet ferrit er et omdannelsesprodukt mellem ferrit og bainit. Det er en gavnlig mikrostruktur i den svejsemetallurgiske proces [11].

Figur 5 er mikrostrukturen af ​​det sidste beklædningslag. Dette lag udsættes ikke for sekundær laseropvarmning. Sammenlignet med andre lag kan det opretholde den oprindelige strukturmorfologi. Dens kornstørrelse er ensartet, og strukturen er tæt. Det er hovedsageligt sammensat af ferrit, Widmanstatten og lath martensit.

2.3 XRD og EDS analyse af beklædningslag
For at analysere fasesammensætningen af ​​laserbeklædningslaget blev en prøve med en størrelse på 10 mm×10 mm×8 mm skåret ved trådskæring, og røntgendiffraktionsanalyse blev udført efter slibning og polering. Figur 6 viser XRD-spektret af flerlags multi-pass laserbeklædningslag og modermateriale. Ved at kombinere mikrostruktur og XRD spektrum resultater kan det ses, at beklædningslaget hovedsageligt er sammensat af en stor mængde ferrit, en del af martensit og widmanstattenit, og der opstår ingen andre skadelige faser. Da søjleformet ferrit vil blive dannet i køleprocessen af ​​laserbeklædning af smeltet pool, indeholder beklædningslaget en stor mængde ferrit. Når laserens varmetilførsel er stor under svejseprocessen, vil mikrostrukturen af ​​beklædningslaget til en vis grad gro til, og kornstørrelsen øges. På dette tidspunkt vil strukturen fremstå overophedet widmanstattenit og lath martensit, og de to strukturer er forskudt.

Den kemiske sammensætning blev analyseret ved punktscanning ved forskellige positioner af prøvens tværsnit. Punktscanningspositionerne er vist i figur 7, og EDS-analyseresultaterne for forskellige områder er vist i tabel 3. På grund af det høje indhold af Cr- og Ni-elementer i svejsetråden er Cr- og Ni-indholdet i beklædningslaget betydeligt højere end modermaterialets, hvilket gør beklædningslagets korrosionsbestandighed bedre end modermaterialets.

2.4 Mikrohårdhedsanalyse af beklædningslag
Mikrohårdheden af ​​prøven blev målt. Under testen var belastningen 1000 g, holdetiden var 10 s, målevejen var i retningen fra modermaterialet til beklædningsområdet, og intervallet mellem to tilstødende prøveudtagningspunkter var 1 mm. Mikrohårdhedsfordelingen fra modermaterialet til beklædningsområdet er vist i figur 8. Modermaterialets gennemsnitlige mikrohårdhed er 172.02 HV, og beklædningslagets gennemsnitlige mikrohårdhed er 320.13 HV. Mikrostrukturen af ​​det sidste beklædningslag indeholder en stor mængde ferrit, widmanstattenit og en lille mængde lægtemartensit og perlit. Hårdhedsværdien af ​​dette mikrostrukturområde er den højeste, som er 325.92HV. Beklædningslagets gennemsnitlige hårdhed er meget højere end modermaterialets, hvilket opfylder kravene til reparationsstyrke. Som vist i figur 8 er hårdheden af ​​beklædningsområdet generelt fordelt på en trinlignende måde. Dette skyldes, at i processen med flerlags- og multi-pas lasertrådsfyldning vil hvert beklædningslag have en efteropvarmningshærdningseffekt på det foregående lag under dannelsesprocessen og en forvarmningseffekt på det næste lag. Det sidste beklædningslag har en forvarmningseffekt uden eftervarmehærdning, hvilket fremmer ensartet kornforfining og væsentligt forbedrer hårdheden.

2.5 Analyse af korrosionsbestandighed af beklædningslag
Det meste metalkorrosion udføres i form af elektrokemisk korrosion, og korrosionsprocessen er ledsaget af generering af strøm, ligesom et primærbatteri [13-14]. For at teste den elektrokemiske korrosionsydelse af flerlags- og multi-pass beklædningslaget blev prøven anbragt i en 3.5 % NaCl-opløsning for at teste dens Tafel-polarisationskurve og impedansspektrum.

Polarisationskurverne for beklædningslaget og grundmaterialet er vist i figur 9. Det kan ses, at beklædningslagets polarisationskurve har et passiveringsområde, hvilket indikerer, at der dannes en tæt oxidfilm på overfladen af ​​beklædningslaget under korrosionsprocessen. Elementerne som Cr, Ni og Si i oxidfilmen forbedrer passiveringsstabiliteten, hindrer diffusionen af ​​ioner og forbedrer korrosionsbestandigheden. Selvkorrosionspotentialet Ecorr og selvkorrosionsstrømtætheden Icorr af beklædningslaget og grundmaterialet opnås ved datatilpasning, som vist i tabel 4. Selvkorrosionspotentialet Ecorr af et metal i en elektrolytopløsning afspejler dets følsomhed overfor korrosion og er en indikator for materialets modstandsdygtighed over for elektrokemisk korrosion. Jo mindre selvkorrosionspotentialet er, jo lettere er det for metallet at miste elektroner og jo svagere dets korrosionsbestandighed; jo større selvkorrosionspotentialet er, jo sværere er det for metallet at miste elektroner og jo stærkere er dets korrosionsbestandighed[14]. Som det fremgår af tabel 4, er beklædningslagets selvkorrosionspotentiale højere end grundmaterialets, hvilket indikerer, at beklædningslaget har stærk korrosionsbestandighed. Selvkorrosionsstrømtætheden Icorr er proportional med korrosionshastigheden. Jo større korrosionsstrømmen er, jo hurtigere korrosionshastighed af materialet og jo dårligere korrosionsbestandighed. Som det fremgår af dataene i tabel 4, er grundmaterialets selvkorrosionsstrøm højere end beklædningslaget, hvilket indikerer, at grundmaterialets korrosionsbestandighed er dårlig. Ved at sammenligne størrelsen af ​​selvkorrosionspotentialet og selvkorrosionsstrømmen kan det derfor konkluderes, at beklædningslagets korrosionsbestandighed er bedre end basismaterialets.

Beklædningslaget og basismaterialet blev testet ved impedansspektroskopi (EIS), og impedansspektret Nyquist-plot af de to prøver er vist i figur 10. Z' og Z" er henholdsvis den reelle og imaginære del af den målte impedans Z. . Både beklædningslaget og basismaterialet har en enkelt kapacitiv buekarakteristik. Jo større den kapacitive bueradius er, jo større er prøvens samlede impedans og jo stærkere er korrosionsbestandigheden. Som vist i figur 10 er beklædningslagets kapacitive bueradius væsentligt større end basismaterialets. Derfor er polarisationsmodstanden af ​​beklædningslaget større, hvilket indikerer, at korrosionshastigheden af ​​beklædningslaget er lavere, og korrosionsmodstanden er stærkere, hvilket er i overensstemmelse med resultaterne af den dynamiske potentielle polarisationskurve.

Sammenfattende er korrosionsbestandigheden af ​​beklædningslaget bedre end basismaterialets. For det første anvender beklædningsmaterialet AFEW6-86 svejsetråd, som har højere Cr- og Ni-indhold end grundmaterialet, således at beklædningslaget har højere oxidationsmodstand og korrosionsbestandighed. I et korrosivt miljø, når Cr reagerer med O-elementer, vil der dannes et lag af korrosionsbestandig oxidfilm på overfladen, som adskiller metaloverfladen fra det korrosive medium, reducerer anodens opløsningsproces og reducerer opløsningen hastigheden af ​​beklædningsmetallet, hvilket forbedrer beklædningslagets korrosionsbestandighed. Korrosionsbestandigheden er forbedret[15-16]. Den anden grund er, at kornstørrelsesfordelingen i beklædningslaget er mere ensartet på grund af stigningen i varmetilførslen.

3 Konklusion
(1) Beklædningslaget opnået ved flerlags- og multipassage lasertrådssvejseproces har en god makroskopisk dannelse, ingen tydelige defekter som porer og revner, og der dannes en god metallurgisk binding mellem beklædningslaget og modermaterialet. Der er en betydelig lodret ophobning, og beklædningslagets tykkelse er 11.5 mm.
(2) Beklædningslaget er hovedsageligt sammensat af ferrit, widmanstatten og lath martensit. Cr- og Ni-indholdet i beklædningslaget er højere end i modermaterialet. Cr- og Ni-elementer forbedrer passiveringsfilmens stabilitet, hindrer diffusionen af ​​ioner og forbedrer beklædningslagets oxidationsmodstand og korrosionsbestandighed. På grund af stigningen i varmetilførslen er kornstørrelsesfordelingen i beklædningslaget desuden mere ensartet, så korrosionsbestandigheden af ​​beklædningslaget er bedre end modermaterialets.
(3) Den gennemsnitlige hårdhed af modermaterialet er 172.02HV, og den gennemsnitlige hårdhed af beklædningslaget er 320.13HV, hårdheden af ​​beklædningslaget er meget højere end modermaterialet. På grund af påvirkningen af ​​mikrostruktur og kornstørrelse viser hårdheden af ​​beklædningsområdet en trinlignende fordelingstendens som helhed.