Utilizouse o método de apilado ortogonal cruzado para realizar varias capas e varias pasadas revestimento de fío láser nunha placa de aceiro Q20B baixo carbono de 345 mm de espesor, e estudouse a morfoloxía macroscópica, a microestrutura, a composición de fases, a microdureza e a resistencia á corrosión da capa de revestimento. Os resultados mostran que a capa de revestimento obtida polo proceso de recheo de fío láser multicapa e multipaso ten unha boa formación macroscópica e non presenta defectos evidentes como poros e fendas; a capa de revestimento está composta principalmente por zona de revestimento, zona de solapamento, zona afectada por cambio de fase, zona de fusión e zona afectada por calor; a estrutura do material principal é principalmente ferrita e perlita, e a microestrutura da capa de revestimento é principalmente ferrita, widmanstatten e martensita; debido á influencia da microestrutura e do tamaño do gran, a dureza da capa de revestimento é xeralmente escalonada e a dureza media da capa de revestimento é de 320.13 HV, que é maior que a do material principal; nunha solución de NaCl ao 3.5%, a curva de polarización da capa de revestimento mostra unha rexión de pasivación e a súa resistencia á corrosión é mellor que a do material nai. O proceso de revestimento de recheo de fío láser multicapa e multipaso pode cumprir os requisitos de preparación das capas de revestimento na enxeñaría real.
Palabras clave: aceiro de baixo carbono Q345B; revestimento de fío láser; apilado ortogonal cruzado; microestrutura e propiedades

Co desenvolvemento da economía e da sociedade, a demanda do meu país de recursos mariños de petróleo e gas segue a aumentar. Centrarse na exploración e desenvolvemento dos recursos mariños é unha necesidade práctica para o desenvolvemento da industria petroleira do meu país [1-2]. Debido ao complexo ambiente de servizo das estruturas de enxeñería mariña, son máis susceptibles a danos que as estruturas tradicionais. Polo tanto, o mantemento diario dos equipos de enxeñaría mariña converteuse nun problema clave que debe ser resolto con urxencia [3]. O aceiro Q345B é un aceiro de baixa aliaxe de alta resistencia con boas propiedades completas e excelente soldabilidade. É moi utilizado na enxeñería mariña e na construción de pontes [4].

Como tecnoloxía de revestimento de protección e reparación avanzada, o revestimento con láser proporciona un proceso eficiente de formación de forma case neta para a reparación de alta precisión de pezas clave e a preparación de revestimentos con propiedades de materiais avanzadas [5]. Durante o proceso de revestimento multicapa e multipaso, as zonas afectadas pola calor das soldaduras adxacentes se solapan, formando áreas que sufriron dous ou máis ciclos térmicos. A microestrutura destas áreas é particularmente complexa [6], e a fase de composición da microestrutura, a taxa de recristalización, a escala do precipitado e a morfoloxía da inclusión cambian continuamente ao longo do proceso [7]. Polo tanto, durante o proceso de revestimento multicapa e multipaso, moitas veces hai puntos débiles na área de revestimento, que son propensos a fallar durante o uso. Por exemplo, a corrosión electrolítica e a corrosión por tensión adoitan observarse preto das unións soldadas dos recipientes a presión durante o seu uso [8].

Wu et al. [9] usado tecnoloxía de revestimento láser para preparar unha capa de revestimento de Mo2NiB2 continua e densa sobre un substrato de aceiro. O revestimento ten alta dureza, boa resistencia ao desgaste e á corrosión, mellora o rendemento do substrato e garante o servizo seguro e estable dos equipos de enxeñería mariña. Li et al. [10] utilizou o revestimento de fío láser para reparar as partes corroídas da superficie de aceiro inoxidable 316L e obtivo unha capa de revestimento de varias capas de aceiro inoxidable 308L. O revestimento está composto principalmente por austenita e unha pequena cantidade de ferrita, cunha resistencia á tracción e alongamento de 548MPa e 40%, respectivamente, o que supón aproximadamente o 86% e o 74% do substrato.

Neste traballo, tecnoloxía de revestimento de fíos láser úsase para preparar a capa de revestimento láser Q345B mediante apilado ortogonal cruzado. Estúdanse a morfoloxía macroscópica, a microestrutura, a composición de fases, a microdureza e a resistencia á corrosión da capa de revestimento multicapa de varias capas, que proporciona unha base para a reparación in situ de estruturas de enxeñería mariña.

1 Experimento de revestimento de fío láser

1.1 Materiais experimentais

O material do substrato experimental é aceiro carbono Q345B e o material de revestimento do fío é un fío de aceiro de aliaxe AFEW6-86 cun diámetro de 1.2 mm. As composicións químicas dos dous móstranse na táboa 1.

1.2 Proceso de revestimento de fío láser multicapa e multipaso
Nas aplicacións de enxeñería reais, a peza de traballo verase afectada por forzas en diferentes direccións durante a operación, polo que hai que ter en conta a influencia da anisotropía. Para reducir a influencia da anisotropía, planifícase o camiño da capa de revestimento, a dirección aditiva das soldaduras na mesma capa é consistente, as direccións das soldaduras nas capas de apilado adxacentes son perpendiculares entre si e as capas son ortogonais. O seu camiño de apilado ortogonal transversal móstrase na Figura 1.

Durante o experimento de revestimento, o gas de protección é gas argón puro cunha pureza do gas do 99.99%. En primeiro lugar, realizouse un experimento ortogonal utilizando un método de revestimento dunha soa capa para explorar os parámetros óptimos do proceso para o revestimento dun único paso; a continuación, utilizouse un método de apilado de varias capas dun só paso para estudar a influencia da altura de elevación entre capas na calidade da formación da soldadura, e obtívose unha soldadura de varias capas dun só paso cunha capa de revestimento recta e un bo efecto de conformación. En base ao anterior, estudouse a influencia das diferentes taxas de solapamento na calidade de formación da capa de revestimento e descubriuse que cando a taxa de solapamento era do 40%, a altura entre cada paso da capa de revestimento era relativamente uniforme, a formación superficial era relativamente plana, e a unión metalúrxica entre cada paso era a máis forte. A altura de elevación entre as capas experimentais é de 0.8 mm para cada unha das dúas primeiras capas e de 0.7 mm para cada unha das capas posteriores. Os parámetros experimentais específicos móstranse na táboa 2.

1.3 Método de análise e proba da capa de revestimento
O corte de arame utilizouse para cortar mostras metalográficas da capa de revestimento multicapa e multipaso preparada. A superficie da mostra foi moída despois de ser incrustada con resina epoxi a temperatura ambiente. Utilizouse papel de lixa de distinta rugosidade para pulir ata que non quedaron arañazos. Despois, puliuse a mostra cunha pulidora para obter unha sección transversal da mostra metalográfica con efecto espello. A mostra foi corroída cunha solución de alcohol de ácido nítrico ao 4% para gravar a interfase da capa de revestimento visible, lavouse con alcohol e secou con soplado, e observouse a microestrutura da mostra cun microscopio metalográfico; a composición de fase e a evolución da capa de revestimento foron dixitalizadas e analizadas no intervalo de 30 ° ~ 100 ° mediante a tecnoloxía de difracción de raios X; realizouse a análise de elementos químicos da capa de revestimento mediante un espectrómetro de enerxía; probouse a microdureza de diferentes áreas da sección transversal da capa de revestimento mediante un comprobador de dureza HVS-1000Z Vickers; Probáronse as curvas de polarización e os espectros de impedancia da capa de revestimento e do material nai nunha solución de NaCl ao 3.5% usando unha estación de traballo electroquímica VersaSTAT 3F cun electrodo de calomel saturado como electrodo de referencia e un electrodo de platino como electrodo auxiliar, e a súa resistencia á corrosión. foi comparada e analizada.

2 Resultados experimentais e análise
2.1 Análise macromorfolóxica da capa de revestimento
A capa de revestimento chea de fío láser preparouse mediante un experimento de apilado ortogonal cruzado de 29 (lonxitude) × 15 (ancho) × 12 capas (altura). A capa de revestimento ten un bo efecto de formación, unha superficie lisa, sen defectos macro como fendas e non fundidas, e unha altura vertical obvia. A morfoloxía macroscópica da capa de revestimento móstrase na Figura 2. Durante o experimento de revestimento de fío láser multicapa multipaso, o proceso de revestimento desta última capa producirá unha reacción de refusión na capa de revestimento anterior, o que resultará nun fluxo descendente en o bordo da capa de revestimento. Ao mesmo tempo, durante o proceso de revestimento, debido a un certo atraso nas instrucións de inicio e finalización da saída de luz láser, a altura do bordo da capa de revestimento será lixeiramente inferior á parte media.

A figura 3 mostra a morfoloxía da sección transversal da capa de revestimento de láser multicapa multipaso. Non se atoparon defectos como poros, fendas e inclusións. Formouse un enlace metalúrxico denso entre o metal do revestimento e o material base. Había unha altura vertical obvia e o grosor da capa de revestimento era de 11.5 mm.

2.2 Análise da microestrutura da capa de revestimento
O arrefriamento da piscina de soldadura é un proceso de cambio de fase, e a microestrutura do cambio de fase depende da composición química e das condicións de arrefriamento do metal de soldadura [11]. A microestrutura de cada área da capa de revestimento observouse mediante un microscopio metalográfico, como se mostra na Figura 4. A capa de revestimento inclúe a zona de revestimento (zona de revestimento, CZ), a zona de superposición (zona de revestimento, OZ), a fase a zona de transición afectada (zona de transición de fase afectada, PAZ), a zona de fusión (zona de fusión, FZ), a zona de calor afectada (zona de calor afectada, HAZ) e o metal base (metal base, BM) [12]. A microestrutura do metal base está composta principalmente por ferrita e unha pequena cantidade de perlita. O elemento principal Mn engadido ao aceiro Q345B non só ten un efecto de fortalecemento significativo sobre a ferrita, senón que tamén reduce a temperatura de transición de dureza-fraxilidade, aumenta a cantidade de perlita e mellora a resistencia da perlita.

A figura 4 (a) mostra a microestrutura da área de revestimento dentro da capa de revestimento, que está composta por listones e ferrita en forma de agulla, widmanstatten e unha pequena cantidade de lath martensite. Debido ás diferentes capas, cada capa de revestimento producirá un efecto de temperado sobre a capa anterior, resultando un refinamento uniforme do gran e límites claros dos grans; As figuras 4 (b) e (b-1) mostran a microestrutura da área de fusión, que está composta por ferrita e widmanstatten cunha distribución irregular de grans; A figura 4 (d) mostra a microestrutura da área de superposición de dúas soldaduras dentro da capa de revestimento. A zona brillante da figura é a liña de fusión entre as dúas soldaduras. Durante o proceso de arrefriamento, a piscina fundida formará ferrita columnar ao longo da dirección de disipación da calor. Polo tanto, esta área está composta principalmente por ferrita columnar e unha pequena cantidade de perlita, como se mostra na Figura 4 (d-1). Debido á dobre acción térmica, a zona de superposición ten un refinamento de gran uniforme; Figura 4 (d-2) é a zona afectada pola transformación de fase, que está composta principalmente por ferrita e Widmanstatten. Debido á influencia da calor de transformación de fase, o tamaño do gran desta área é lixeiramente maior que o da área de superposición; A figura 4 (e-1) é a microestrutura da zona afectada pola calor. Durante o proceso de soldadura, a zona inferior do revestimento sofre un revenido, o que fai que a estrutura desta zona se refire e a distribución do gran uniforme. Está composto principalmente por ferrita de gran fino e unha pequena cantidade de perlita. A ferrita de gran fino é un produto de transformación entre ferrita e bainita. É unha microestrutura beneficiosa no proceso metalúrxico de soldadura [11].

A figura 5 é a microestrutura da última capa de revestimento. Esta capa non está sometida a quecemento secundario láser. En comparación con outras capas, pode manter a morfoloxía da estrutura orixinal. O seu tamaño de gran é uniforme e a estrutura é densa. Está composto principalmente por ferrita, Widmanstatten e martensita.

2.3 Análise XRD e EDS da capa de revestimento
Para analizar a composición de fase da capa de revestimento con láser, unha mostra cun tamaño de 10 mm × 10 mm × 8 mm foi cortada por fío e realizouse unha análise de proba de difracción de raios X despois de moer e pulir. A figura 6 mostra o espectro XRD da capa de revestimento láser multicapa e do material principal. Combinando a microestrutura e os resultados do espectro XRD, pódese ver que a capa de revestimento está composta principalmente por unha gran cantidade de ferrita, parte de martensita e widmanstattenite, e non aparecen outras fases daniñas. Dado que a ferrita columnar formarase no proceso de arrefriamento da piscina fundida de revestimento láser, a capa de revestimento contén unha gran cantidade de ferrita. Cando a entrada de calor do láser é grande durante o proceso de soldadura, a microestrutura da capa de revestimento engrosarase ata certo punto e aumentará o tamaño do gran. Neste momento, a estrutura aparecerá sobrequentada de widmanstattenite e martensita de listones, e as dúas estruturas están escalonadas.

Analizouse a composición química mediante escaneado puntual en diferentes posicións da sección transversal da mostra. As posicións de exploración de puntos móstranse na Figura 7, e os resultados da análise EDS de diferentes áreas móstranse na Táboa 3. Debido ao alto contido de elementos Cr e Ni no fío de soldadura, o contido de Cr e Ni da capa de revestimento é significativamente superior á do material principal, facendo que a resistencia á corrosión da capa de revestimento sexa mellor que a do material principal.

2.4 Análise de microdureza da capa de revestimento
Mediuse a microdureza da mostra. Durante a proba, a carga foi de 1000 g, o tempo de retención foi de 10 s, o camiño de medición foi ao longo da dirección desde o material nai ata a área de revestimento e o intervalo entre dous puntos de mostraxe adxacentes foi de 1 mm. A distribución da microdureza desde o material nai ata a área de revestimento móstrase na Figura 8. A microdureza media do material nai é de 172.02 HV e a microdureza media da capa de revestimento é de 320.13 HV. A microestrutura da última capa de revestimento contén unha gran cantidade de ferrita, widmanstattenita e unha pequena cantidade de martensita e perlita. O valor de dureza desta área de microestrutura é o máis alto, que é de 325.92 HV. A dureza media da capa de revestimento é moito maior que a do material principal, cumprindo os requisitos de resistencia á reparación. Como se mostra na Figura 8, a dureza da área de revestimento distribúese xeralmente de forma escalonada. Isto débese a que no proceso de recheo de fío láser multicapa e multipaso, cada capa de revestimento terá un efecto de temperado posterior ao quecemento na capa anterior durante o proceso de formación e un efecto de prequecemento na seguinte capa. A última capa de revestimento ten un efecto de prequecemento sen temperado posterior ao quecemento, o que favorece o refinamento uniforme do gran e mellora significativamente a dureza.

2.5 Análise da resistencia á corrosión da capa de revestimento
A maior parte da corrosión metálica lévase a cabo en forma de corrosión electroquímica, e o proceso de corrosión vai acompañado da xeración de corrente, igual que unha batería primaria [13-14]. Para probar o rendemento da corrosión electroquímica da capa de revestimento multicapa e multipaso, o espécimen foi colocado nunha solución de NaCl ao 3.5% para probar a súa curva de polarización de Tafel e o seu espectro de impedancia.

As curvas de polarización da capa de revestimento e o material base móstranse na figura 9. Pódese ver que a curva de polarización da capa de revestimento ten unha rexión de pasivación, o que indica que se forma unha película de óxido densa na superficie da capa de revestimento durante o proceso de corrosión. Os elementos como Cr, Ni e Si na película de óxido melloran a estabilidade da pasivación, dificultan a difusión dos ións e melloran a resistencia á corrosión. O potencial de autocorrosión Ecorr e a densidade de corrente de autocorrosión Icorr da capa de revestimento e do material base obtéñense mediante axuste de datos, como se mostra na táboa 4. O potencial de autocorrosión Ecorr dun metal nunha solución de electrólito reflicte a súa sensibilidade a corrosión e é un indicador da resistencia do material á corrosión electroquímica. Canto menor é o potencial de autocorrosión, máis doado é para o metal perder electróns e menor é a súa resistencia á corrosión; canto maior é o potencial de auto-corrosión, máis difícil é para o metal perder electróns e máis forte é a súa resistencia á corrosión[14]. Como se pode ver na táboa 4, o potencial de auto-corrosión da capa de revestimento é maior que o do material base, o que indica que a capa de revestimento ten unha forte resistencia á corrosión. A densidade de corrente de autocorrosión Icorr é proporcional á taxa de corrosión. Canto maior sexa a corrente de corrosión, máis rápida será a taxa de corrosión do material e peor será a resistencia á corrosión. Como se pode ver a partir dos datos da Táboa 4, a corrente de auto-corrosión do material base é maior que a da capa de revestimento, o que indica que a resistencia á corrosión do material base é pobre. Polo tanto, comparando o tamaño do potencial de auto-corrosión e a corrente de auto-corrosión, pódese concluír que a resistencia á corrosión da capa de revestimento é mellor que a do material base.

A capa de revestimento e o material base foron probados mediante espectroscopia de impedancia (EIS) e os gráficos de Nyquist do espectro de impedancia das dúas mostras móstranse na Figura 10. Z' e Z” son as partes real e imaxinaria da impedancia Z medida, respectivamente. . Tanto a capa de revestimento como o material base presentan unha única característica de arco capacitivo. Canto maior sexa o raio do arco capacitivo, maior será a impedancia total da mostra e maior será a resistencia á corrosión. Como se mostra na Figura 10, o radio de arco capacitivo da capa de revestimento é significativamente maior que o do material base. Polo tanto, a resistencia á polarización da capa de revestimento é maior, o que indica que a taxa de corrosión da capa de revestimento é menor e a resistencia á corrosión é máis forte, o que é consistente cos resultados da curva de polarización potencial dinámica.

En resumo, a resistencia á corrosión da capa de revestimento é mellor que a do material base. En primeiro lugar, o material de revestimento usa fío de soldadura AFEW6-86, que ten un contido de Cr e Ni máis alto que o material base, polo que a capa de revestimento ten unha maior resistencia á oxidación e á corrosión. Nun ambiente corrosivo, cando o Cr reacciona con elementos O, formarase unha capa de película de óxido resistente á corrosión na superficie, que separará a superficie metálica do medio corrosivo, reducirá o proceso de disolución do ánodo e reducirá a disolución. taxa do metal de revestimento, mellorando así a resistencia á corrosión da capa de revestimento. Mellora a resistencia á corrosión[15-16]. A segunda razón é que a distribución do tamaño do gran na capa de revestimento é máis uniforme debido ao aumento da entrada de calor.

3 Conclusión
(1) A capa de revestimento obtida pola multicapa e multipaso proceso de soldadura con fío láser ten unha boa formación macroscópica, sen defectos evidentes como poros e fendas, e fórmase unha boa unión metalúrxica entre a capa de revestimento e o material principal. Hai unha acumulación vertical significativa e o grosor da capa de revestimento é de 11.5 mm.
(2) A capa de revestimento está composta principalmente por ferrita, widmanstatten e martensita. O contido de Cr e Ni na capa de revestimento é maior que o do material nai. Os elementos Cr e Ni melloran a estabilidade da película de pasivación, dificultan a difusión dos ións e melloran a resistencia á oxidación e á corrosión da capa de revestimento. Ademais, debido ao aumento da entrada de calor, a distribución do tamaño do gran na capa de revestimento é máis uniforme, polo que a resistencia á corrosión da capa de revestimento é mellor que a do material principal.
(3) A dureza media do material principal é de 172.02 HV e a dureza media da capa de revestimento é de 320.13 HV, a dureza da capa de revestimento é moito maior que a do material principal. Debido á influencia da microestrutura e do tamaño do gran, a dureza da área de revestimento mostra unha tendencia de distribución escalonada no seu conxunto.