La méthode d'empilement orthogonal croisé a été utilisée pour réaliser des couches multiples et des passes multiples. revêtement par fil laser sur une plaque d'acier à faible teneur en carbone Q20B de 345 mm d'épaisseur, et la morphologie macroscopique, la microstructure, la composition de phase, la microdureté et la résistance à la corrosion de la couche de revêtement ont été étudiées. Les résultats montrent que la couche de revêtement obtenue par le procédé de remplissage de fil laser multicouche et multipasse présente une bonne formation macroscopique et aucun défaut évident tel que des pores et des fissures ; la couche de revêtement est principalement composée de zone de revêtement, zone de chevauchement, zone affectée par le changement de phase, zone de fusion et zone affectée par la chaleur ; la structure du matériau parent est principalement constituée de ferrite et de perlite, et la microstructure de la couche de revêtement est principalement constituée de ferrite, de widmanstatten et de martensite ; en raison de l'influence de la microstructure et de la granulométrie, la dureté de la couche de revêtement est globalement échelonnée et la dureté moyenne de la couche de revêtement est de 320.13 HV, ce qui est supérieur à celle du matériau parent ; dans une solution à 3.5 % de NaCl, la courbe de polarisation de la couche de revêtement présente une région de passivation et sa résistance à la corrosion est meilleure que celle du matériau parent. Le processus de revêtement par remplissage de fil laser multicouche et multipasse peut répondre aux exigences de préparation des couches de revêtement dans l'ingénierie réelle.
Mots clés : acier à faible teneur en carbone Q345B ; placage au fil laser ; empilement orthogonal croisé ; microstructure et propriétés

Avec le développement de l'économie et de la société, la demande de mon pays en ressources pétrolières et gazières marines continue d'augmenter. Se concentrer sur l'exploration et le développement des ressources marines est une nécessité pratique pour le développement de l'industrie pétrolière de mon pays [1-2]. En raison de l'environnement de service complexe des structures d'ingénierie marine, elles sont plus sensibles aux dommages que les structures traditionnelles. Par conséquent, l'entretien quotidien des équipements d'ingénierie marine est devenu un problème clé qui doit être résolu de toute urgence [3]. L'acier Q345B est un acier à haute résistance faiblement allié avec de bonnes propriétés globales et une excellente soudabilité. Il est largement utilisé dans l'ingénierie marine et la construction de ponts [4].

En tant que technologie avancée de revêtement de protection et de réparation, le placage au laser offre un processus de formage de forme quasi nette efficace pour la réparation de haute précision de pièces clés et la préparation de revêtements aux propriétés matérielles avancées [5]. Pendant le processus de placage multicouche et multipasse, les zones affectées par la chaleur des soudures adjacentes se chevauchent, formant des zones qui ont subi deux cycles thermiques ou plus. La microstructure de ces zones est particulièrement complexe [6], et la phase de composition de la microstructure, le taux de recristallisation, le tartre de précipité et la morphologie des inclusions changent continuellement tout au long du processus [7]. Par conséquent, pendant le processus de placage multicouche et multipasse, il existe souvent des points faibles dans la zone de placage, qui sont sujets à des défaillances pendant l'utilisation. Par exemple, la corrosion électrolytique et la corrosion sous contrainte sont souvent observées à proximité des joints soudés des récipients sous pression pendant l'utilisation [8].

Wu et al. [9] ont utilisé technologie de revêtement laser préparer une couche de revêtement Mo2NiB2 continue et dense sur un substrat en acier. Le revêtement présente une dureté élevée, une bonne résistance à l'usure et à la corrosion, améliore les performances du substrat et garantit le service sûr et stable des équipements d'ingénierie marine. Li et al. [10] ont utilisé un revêtement par fil laser pour réparer les parties corrodées de la surface de l'acier inoxydable 316L et ont obtenu une couche de revêtement multicouche multipasse en acier inoxydable 308L. Le revêtement est principalement composé d'austénite et d'une petite quantité de ferrite, avec une résistance à la traction et un allongement de 548 MPa et 40 %, respectivement, ce qui représente environ 86 % et 74 % du substrat.

Dans cet article, technologie de revêtement par fil laser est utilisé pour préparer la couche de revêtement laser Q345B par empilement orthogonal croisé. La morphologie macroscopique, la microstructure, la composition de phase, la microdureté et la résistance à la corrosion de la couche de revêtement multicouche multipasse sont étudiées, ce qui fournit une base pour la réparation sur site des structures d'ingénierie marine.

1 Expérience de revêtement de fils au laser

1.1 Matériel expérimental

Le substrat expérimental est en acier au carbone Q345B et le revêtement du fil est en acier allié AFEW6-86 d'un diamètre de 1.2 mm. Les compositions chimiques des deux sont présentées dans le tableau 1.

1.2 Procédé de placage au laser multicouche et multipasse
Dans les applications techniques réelles, la pièce sera affectée par des forces dans différentes directions pendant le fonctionnement, il faut donc tenir compte de l'influence de l'anisotropie. Afin de réduire l'influence de l'anisotropie, le chemin de la couche de revêtement est planifié, la direction additive des soudures dans la même couche est cohérente, les directions des soudures dans les couches d'empilement adjacentes sont perpendiculaires les unes aux autres et les couches sont orthogonales. Son chemin d'empilement orthogonal transversal est illustré à la figure 1.

Français Au cours de l'expérience de placage, le gaz de protection est du gaz argon pur avec une pureté de gaz de 99.99 %. Tout d'abord, une expérience orthogonale a été réalisée en utilisant une méthode de placage monocouche à passe unique pour explorer les paramètres de processus optimaux pour le placage monocouche ; ensuite, une méthode d'empilement multicouche à passe unique a été utilisée pour étudier l'influence de la hauteur de levage entre les couches sur la qualité de formation de la soudure, et une soudure multicouche à passe unique avec une couche de placage droite et un bon effet de formage a été obtenue. Sur la base de ce qui précède, l'influence de différents taux de chevauchement sur la qualité de formation de la couche de placage a été étudiée, et il a été constaté que lorsque le taux de chevauchement était de 40 %, la hauteur entre chaque passe de la couche de placage était relativement uniforme, la formation de surface était relativement plate et la liaison métallurgique entre chaque passe était la plus forte. La hauteur de levage entre les couches expérimentales est de 0.8 mm pour chacune des deux premières couches et de 0.7 mm pour chacune des couches suivantes. Les paramètres expérimentaux spécifiques sont présentés dans le tableau 2.

1.3 Méthode d'analyse et d'essai de la couche de revêtement
La découpe au fil a été utilisée pour couper des échantillons métallographiques à partir de la couche de revêtement multicouche et multipasse préparée. La surface de l'échantillon a été meulée après avoir été noyée dans de la résine époxy à température ambiante. Du papier de verre de différentes rugosités a été utilisé pour polir jusqu'à ce qu'il ne reste plus de rayures. Ensuite, l'échantillon a été poli avec une polisseuse pour obtenir une section transversale d'échantillon métallographique avec un effet miroir. L'échantillon a été corrodé avec une solution d'alcool d'acide nitrique à 4 % pour graver l'interface de la couche de revêtement visible, rincé à l'alcool et séché par soufflage, et la microstructure de l'échantillon a été observée avec un microscope métallographique ; la composition de phase et l'évolution de la couche de revêtement ont été scannées et analysées dans la plage de 30°~100° en utilisant la technologie de diffraction des rayons X ; l'analyse des éléments chimiques de la couche de revêtement a été réalisée à l'aide d'un spectromètre d'énergie ; la microdureté de différentes zones de la section transversale de la couche de revêtement a été testée à l'aide d'un testeur de dureté Vickers HVS-1000Z ; les courbes de polarisation et les spectres d'impédance de la couche de revêtement et du matériau parent ont été testés dans une solution de NaCl à 3.5 % en utilisant une station de travail électrochimique VersaSTAT 3F avec une électrode de calomel saturé comme électrode de référence et une électrode de platine comme électrode auxiliaire, et leur résistance à la corrosion a été comparée et analysée.

2 Résultats expérimentaux et analyse
2.1 Analyse macromorphologique de la couche de gaine
La couche de revêtement remplie de fil laser a été préparée par une expérience d'empilement orthogonal croisé de 29 (longueur) × 15 (largeur) × 12 couches (hauteur). La couche de revêtement a un bon effet de formage, une surface lisse, aucun défaut macroscopique tel que des fissures et des non-fusions, et une hauteur verticale évidente. La morphologie macroscopique de la couche de revêtement est illustrée à la figure 2. Au cours de l'expérience de revêtement de fil laser multicouche à passes multiples, le processus de revêtement de la dernière couche produira une réaction de refusion sur la couche de revêtement précédente, ce qui entraînera un écoulement vers le bas au bord de la couche de revêtement. En même temps, pendant le processus de revêtement, en raison d'un certain retard dans les instructions de début et de fin de la sortie de lumière laser, la hauteur du bord de la couche de revêtement sera légèrement inférieure à la partie médiane.

La figure 3 montre la morphologie transversale de la couche de revêtement laser multicouche à passages multiples. Aucun défaut tel que des pores, des fissures et des inclusions n'a été trouvé. Une liaison métallurgique dense s'est formée entre le métal de revêtement et le matériau de base. La hauteur verticale était évidente et l'épaisseur de la couche de revêtement était de 11.5 mm.

2.2 Analyse de la microstructure de la couche de revêtement
Français Le refroidissement du bain de soudure est un processus de changement de phase, et la microstructure du changement de phase dépend de la composition chimique et des conditions de refroidissement du métal de soudure [11]. La microstructure de chaque zone de la couche de revêtement a été observée à l'aide d'un microscope métallographique, comme le montre la figure 4. La couche de revêtement comprend la zone de revêtement (zone plaquée, CZ), la zone de recouvrement (zone superposée, OZ), la zone affectée par la transition de phase (zone affectée par la transition de phase, PAZ), la zone de fusion (zone de fusion, FZ), la zone affectée par la chaleur (zone affectée par la chaleur, HAZ) et le métal de base (métal de base, BM) [12]. La microstructure du métal de base est principalement composée de ferrite et d'une petite quantité de perlite. L'élément principal Mn ajouté à l'acier Q345B a non seulement un effet de renforcement significatif sur la ferrite, mais réduit également la température de transition ténacité-fragilité, augmente la quantité de perlite et améliore la résistance de la perlite.

La figure 4 (a) montre la microstructure de la zone de revêtement à l'intérieur de la couche de revêtement, qui est composée de ferrite en forme de lattes et d'aiguilles, de widmanstatten et d'une petite quantité de martensite en lattes. En raison des différentes couches, chaque couche de revêtement produira un effet de revenu sur la couche précédente, ce qui entraînera un raffinement uniforme des grains et des limites de grains claires ; les figures 4 (b) et (b-1) montrent la microstructure de la zone de fusion, qui est composée de ferrite et de widmanstatten avec une distribution de grains inégale ; la figure 4 (d) montre la microstructure de la zone de chevauchement de deux soudures à l'intérieur de la couche de revêtement. La zone brillante sur la figure est la ligne de fusion entre les deux soudures. Pendant le processus de refroidissement, le bain de fusion formera de la ferrite colonnaire le long de la direction de dissipation de la chaleur. Par conséquent, cette zone est principalement composée de ferrite colonnaire et d'une petite quantité de perlite, comme le montre la figure 4 (d-1). En raison de la double action thermique, la zone de chevauchement présente un raffinement uniforme des grains ; La figure 4 (d-2) représente la zone affectée par la transformation de phase, qui est principalement composée de ferrite et de Widmanstatten. En raison de l'influence de la chaleur de transformation de phase, la taille des grains de cette zone est légèrement plus grande que celle de la zone de chevauchement ; la figure 4 (e-1) représente la microstructure de la zone affectée par la chaleur. Pendant le processus de soudage, la zone de revêtement inférieure subit un revenu, ce qui rend la structure de cette zone plus fine et la distribution des grains uniforme. Elle est principalement composée de ferrite à grains fins et d'une petite quantité de perlite. La ferrite à grains fins est un produit de transformation entre la ferrite et la bainite. C'est une microstructure bénéfique dans le processus métallurgique de soudage [11].

La figure 5 montre la microstructure de la dernière couche de placage. Cette couche n'est pas soumise à un chauffage secondaire au laser. Par rapport aux autres couches, elle peut conserver la morphologie de la structure d'origine. Sa granulométrie est uniforme et sa structure est dense. Elle est principalement composée de ferrite, de Widmanstatten et de martensite à lattes.

2.3 Analyse XRD et EDS de la couche de revêtement
Afin d'analyser la composition de phase de la couche de revêtement laser, un échantillon d'une taille de 10 mm × 10 mm × 8 mm a été découpé par fil et une analyse par diffraction des rayons X a été effectuée après meulage et polissage. La figure 6 montre le spectre de DRX de la couche de revêtement laser multicouche à passes multiples et du matériau parent. En combinant la microstructure et les résultats du spectre de DRX, on peut voir que la couche de revêtement est principalement composée d'une grande quantité de ferrite, d'une partie de martensite et de widmanstatténite, et qu'aucune autre phase nocive n'apparaît. Étant donné que de la ferrite colonnaire se formera lors du processus de refroidissement du bain de fusion du revêtement laser, la couche de revêtement contient une grande quantité de ferrite. Lorsque l'apport de chaleur du laser est important pendant le processus de soudage, la microstructure de la couche de revêtement grossira dans une certaine mesure et la taille des grains augmentera. À ce moment, la structure apparaîtra comme de la widmanstatténite surchauffée et de la martensite en lattes, et les deux structures sont décalées.

La composition chimique a été analysée par balayage de points à différentes positions de la section transversale de l'échantillon. Les positions de balayage de points sont présentées dans la Figure 7 et les résultats de l'analyse EDS de différentes zones sont présentés dans le Tableau 3. En raison de la teneur élevée en éléments Cr et Ni du fil de soudage, la teneur en Cr et Ni de la couche de revêtement est nettement supérieure à celle du matériau de base, ce qui rend la résistance à la corrosion de la couche de revêtement meilleure que celle du matériau de base.

2.4 Analyse de microdureté de la couche de gainage
La microdureté de l'échantillon a été mesurée. Pendant l'essai, la charge était de 1000 g, le temps de maintien était de 10 s, le trajet de mesure était dans la direction du matériau de base vers la zone de revêtement, et l'intervalle entre deux points d'échantillonnage adjacents était de 1 mm. La distribution de la microdureté du matériau de base à la zone de revêtement est illustrée à la Figure 8. La microdureté moyenne du matériau de base est de 172.02 HV et la microdureté moyenne de la couche de revêtement est de 320.13 HV. La microstructure de la dernière couche de revêtement contient une grande quantité de ferrite, de widmanstatténite et une petite quantité de martensite lattice et de perlite. La valeur de dureté de cette zone de microstructure est la plus élevée, soit 325.92 HV. La dureté moyenne de la couche de revêtement est bien supérieure à celle du matériau de base, ce qui répond aux exigences de résistance de réparation. Comme le montre la Figure 8, la dureté de la zone de revêtement est généralement distribuée de manière échelonnée. En effet, dans le processus de remplissage de fil laser multicouche et multipasse, chaque couche de revêtement aura un effet de revenu post-chauffage sur la couche précédente pendant le processus de formation, et un effet de préchauffage sur la couche suivante. La dernière couche de revêtement a un effet de préchauffage sans revenu post-chauffage, ce qui favorise un raffinement uniforme du grain et améliore considérablement la dureté.

2.5 Analyse de la résistance à la corrosion de la couche de revêtement
La plupart des phénomènes de corrosion des métaux se produisent sous forme de corrosion électrochimique, et le processus de corrosion s'accompagne de la génération de courant, tout comme une batterie primaire [13-14]. Afin de tester les performances de corrosion électrochimique de la couche de revêtement multicouche et multipasse, l'échantillon a été placé dans une solution de NaCl à 3.5 % pour tester sa courbe de polarisation Tafel et son spectre d'impédance.

Français Les courbes de polarisation de la couche de revêtement et du matériau de base sont présentées sur la Figure 9. On peut voir que la courbe de polarisation de la couche de revêtement présente une région de passivation, indiquant qu'un film d'oxyde dense se forme à la surface de la couche de revêtement pendant le processus de corrosion. Les éléments tels que Cr, Ni et Si dans le film d'oxyde améliorent la stabilité de la passivation, entravent la diffusion des ions et améliorent la résistance à la corrosion. Le potentiel d'autocorrosion Ecorr et la densité de courant d'autocorrosion Icorr de la couche de revêtement et du matériau de base sont obtenus par ajustement des données, comme indiqué dans le Tableau 4. Le potentiel d'autocorrosion Ecorr d'un métal dans une solution électrolytique reflète sa sensibilité à la corrosion et est un indicateur de la résistance du matériau à la corrosion électrochimique. Plus le potentiel d'autocorrosion est faible, plus il est facile pour le métal de perdre des électrons et plus sa résistance à la corrosion est faible ; plus le potentiel d'autocorrosion est élevé, plus il est difficile pour le métal de perdre des électrons et plus sa résistance à la corrosion est forte[14]. Comme le montre le tableau 4, le potentiel d'autocorrosion de la couche de revêtement est supérieur à celui du matériau de base, ce qui indique que la couche de revêtement présente une forte résistance à la corrosion. La densité de courant d'autocorrosion Icorr est proportionnelle à la vitesse de corrosion. Plus le courant de corrosion est élevé, plus la vitesse de corrosion du matériau est rapide et plus la résistance à la corrosion est mauvaise. Comme le montrent les données du tableau 4, le courant d'autocorrosion du matériau de base est supérieur à celui de la couche de revêtement, ce qui indique que la résistance à la corrosion du matériau de base est faible. Par conséquent, en comparant la taille du potentiel d'autocorrosion et du courant d'autocorrosion, on peut conclure que la résistance à la corrosion de la couche de revêtement est meilleure que celle du matériau de base.

Français La couche de revêtement et le matériau de base ont été testés par spectroscopie d'impédance (EIS), et les tracés de Nyquist du spectre d'impédance des deux échantillons sont présentés dans la Figure 10. Z' et Z” sont respectivement les parties réelle et imaginaire de l'impédance mesurée Z. La couche de revêtement et le matériau de base présentent tous deux une caractéristique d'arc capacitif unique. Plus le rayon de l'arc capacitif est grand, plus l'impédance totale de l'échantillon est grande et plus la résistance à la corrosion est forte. Comme le montre la Figure 10, le rayon de l'arc capacitif de la couche de revêtement est significativement plus grand que celui du matériau de base. Par conséquent, la résistance de polarisation de la couche de revêtement est plus grande, ce qui indique que le taux de corrosion de la couche de revêtement est plus faible et que la résistance à la corrosion est plus forte, ce qui est cohérent avec les résultats de la courbe de polarisation potentielle dynamique.

En résumé, la résistance à la corrosion de la couche de revêtement est meilleure que celle du matériau de base. Tout d'abord, le matériau de revêtement utilise un fil de soudage AFEW6-86, qui a une teneur en Cr et Ni plus élevée que le matériau de base, de sorte que la couche de revêtement a une résistance à l'oxydation et à la corrosion plus élevée. Dans un environnement corrosif, lorsque le Cr réagit avec les éléments O, une couche de film d'oxyde résistant à la corrosion se formera sur la surface, ce qui séparera la surface métallique du milieu corrosif, réduira le processus de dissolution de l'anode et réduira la vitesse de dissolution du métal de revêtement, améliorant ainsi la résistance à la corrosion de la couche de revêtement. La résistance à la corrosion est améliorée[15-16]. La deuxième raison est que la distribution granulométrique dans la couche de revêtement est plus uniforme en raison de l'augmentation de l'apport de chaleur.

Conclusion 3
(1) La couche de revêtement obtenue par le procédé multicouche et multipasse procédé de soudage au fil laser présente une bonne formation macroscopique, aucun défaut évident tel que des pores et des fissures, et une bonne liaison métallurgique est formée entre la couche de revêtement et le matériau parent. Il y a un empilement vertical important et l'épaisseur de la couche de revêtement est de 11.5 mm.
(2) La couche de revêtement est principalement composée de ferrite, de martensite de Widmanstatten et de martensite à lattes. La teneur en Cr et en Ni de la couche de revêtement est supérieure à celle du matériau de base. Les éléments Cr et Ni améliorent la stabilité du film de passivation, entravent la diffusion des ions et améliorent la résistance à l'oxydation et à la corrosion de la couche de revêtement. De plus, en raison de l'augmentation de l'apport de chaleur, la distribution granulométrique dans la couche de revêtement est plus uniforme, de sorte que la résistance à la corrosion de la couche de revêtement est meilleure que celle du matériau de base.
(3) La dureté moyenne du matériau de base est de 172.02 HV et la dureté moyenne de la couche de revêtement est de 320.13 HV, la dureté de la couche de revêtement étant bien supérieure à celle du matériau de base. En raison de l'influence de la microstructure et de la taille des grains, la dureté de la zone de revêtement présente une tendance de distribution en escalier dans son ensemble.