Metode penumpukan ortogonal silang digunakan untuk melakukan multi-layer dan multi-pass pelapis kawat laser pada pelat baja karbon rendah Q20B setebal 345 mm, dan morfologi makroskopis, struktur mikro, komposisi fasa, kekerasan mikro dan ketahanan korosi lapisan pelapis dipelajari. Hasil penelitian menunjukkan bahwa lapisan pelapis yang diperoleh dengan proses pengisian kawat laser multi-lapis dan multi-lintasan memiliki pembentukan makroskopis yang baik dan tidak ada cacat yang jelas seperti pori-pori dan retakan; lapisan pelapis terutama terdiri dari zona pelapis, zona tumpang tindih, zona yang terpengaruh perubahan fase, zona fusi dan zona yang terpengaruh panas; struktur material induk terutama ferit dan perlit, dan struktur mikro lapisan pelapis terutama ferit, widmanstatten dan martensit; karena pengaruh struktur mikro dan ukuran butiran, kekerasan lapisan pelapis secara keseluruhan bertahap, dan kekerasan rata-rata lapisan pelapis adalah 320.13 HV, yang lebih tinggi dari bahan induk; dalam larutan NaCl 3.5%, kurva polarisasi lapisan pelapis menunjukkan daerah pasivasi, dan ketahanan korosinya lebih baik daripada bahan induk. Proses pelapisan kawat laser multi-lapis dan multi-lintasan dapat memenuhi persyaratan persiapan lapisan pelapis dalam rekayasa aktual.
Kata kunci: baja karbon rendah Q345B, pelapisan kawat laser, penumpukan ortogonal silang, struktur mikro dan sifat-sifatnya

Dengan perkembangan ekonomi dan masyarakat, permintaan negara saya akan sumber daya minyak dan gas laut terus meningkat. Berfokus pada eksplorasi dan pengembangan sumber daya laut merupakan kebutuhan praktis untuk pengembangan industri perminyakan negara saya [1-2]. Karena lingkungan layanan struktur teknik kelautan yang kompleks, struktur tersebut lebih rentan terhadap kerusakan daripada struktur tradisional. Oleh karena itu, perawatan harian peralatan teknik kelautan telah menjadi masalah utama yang perlu segera diselesaikan [3]. Baja Q345B adalah baja paduan rendah berkekuatan tinggi dengan sifat komprehensif yang baik dan kemampuan las yang sangat baik. Baja ini banyak digunakan dalam teknik kelautan dan konstruksi jembatan [4].

Sebagai teknologi pelapisan pelindung dan perbaikan yang canggih, pelapisan laser menyediakan proses pembentukan bentuk mendekati bentuk bersih yang efisien untuk perbaikan komponen utama dengan presisi tinggi dan persiapan pelapisan dengan sifat material yang canggih [5]. Selama proses pelapisan multi-lapis dan multi-lintasan, zona yang terpengaruh panas dari las yang berdekatan saling tumpang tindih, membentuk area yang telah mengalami dua atau lebih siklus termal. Mikrostruktur area ini sangat kompleks [6], dan fase komposisi mikrostruktur, laju rekristalisasi, kerak presipitat, dan morfologi inklusi berubah terus-menerus selama proses [7]. Oleh karena itu, selama proses pelapisan multi-lapis dan multi-lintasan, sering kali terdapat titik lemah di area pelapis, yang rentan terhadap kegagalan selama penggunaan. Misalnya, korosi elektrolitik dan korosi tegangan sering kali diamati di dekat sambungan las bejana tekan selama penggunaan [8].

Wu et al. [9] menggunakan teknologi pelapisan laser untuk menyiapkan lapisan pelapis Mo2NiB2 yang padat dan kontinu pada substrat baja. Pelapis tersebut memiliki kekerasan tinggi, ketahanan aus dan ketahanan korosi yang baik, meningkatkan kinerja substrat, dan memastikan layanan peralatan teknik kelautan yang aman dan stabil. Li et al. [10] menggunakan pelapis kawat laser untuk memperbaiki bagian yang terkorosi pada permukaan baja tahan karat 316L dan memperoleh lapisan pelapis multi-lapisan multi-lintasan dari baja tahan karat 308L. Pelapis tersebut terutama terdiri dari austenit dan sejumlah kecil ferit, dengan kekuatan tarik dan perpanjangan masing-masing 548MPa dan 40%, yaitu sekitar 86% dan 74% dari substrat.

Dalam tulisan ini, teknologi pelapisan kawat laser digunakan untuk menyiapkan lapisan pelapis laser Q345B dengan penumpukan ortogonal silang. Morfologi makroskopis, struktur mikro, komposisi fase, kekerasan mikro, dan ketahanan korosi dari lapisan pelapis multi-lapisan multi-lintasan dipelajari, yang menyediakan dasar untuk perbaikan di lokasi struktur rekayasa kelautan.

1 Percobaan pelapisan kawat laser

1.1 Bahan percobaan

Bahan substrat percobaan adalah baja karbon Q345B, dan bahan pelapis kawat adalah kawat baja paduan AFEW6-86 dengan diameter 1.2 mm. Komposisi kimia keduanya ditunjukkan pada Tabel 1.

1.2 Proses pelapisan kawat laser multi-lapis dan multi-lintasan
Dalam aplikasi teknik yang sebenarnya, benda kerja akan terpengaruh oleh gaya dalam berbagai arah selama pengoperasian, sehingga pengaruh anisotropi perlu dipertimbangkan. Untuk mengurangi pengaruh anisotropi, jalur lapisan pelapis direncanakan, arah aditif las dalam lapisan yang sama konsisten, arah las dalam lapisan susun yang berdekatan saling tegak lurus, dan lapisannya ortogonal. Jalur susun ortogonal silangnya ditunjukkan pada Gambar 1.

Selama percobaan pelapisan, gas pelindung adalah gas argon murni dengan kemurnian gas 99.99%. Pertama, percobaan ortogonal dilakukan menggunakan metode pelapisan satu lapis satu lintasan untuk mengeksplorasi parameter proses optimal untuk pelapisan satu lintasan; kemudian, metode penumpukan satu lintasan multilapis digunakan untuk mempelajari pengaruh ketinggian pengangkatan antar lapisan pada kualitas pembentukan las, dan diperoleh las satu lintasan multilapis dengan lapisan pelapis lurus dan efek pembentukan yang baik. Atas dasar hal di atas, pengaruh tingkat tumpang tindih yang berbeda pada kualitas pembentukan lapisan pelapis dipelajari, dan ditemukan bahwa ketika tingkat tumpang tindih adalah 40%, ketinggian antara setiap lintasan lapisan pelapis relatif seragam, pembentukan permukaan relatif datar, dan ikatan metalurgi antara setiap lintasan adalah yang terkuat. Ketinggian pengangkatan antara lapisan percobaan adalah 0.8 mm untuk masing-masing dari dua lapisan pertama dan 0.7 mm untuk masing-masing lapisan berikutnya. Parameter percobaan spesifik ditunjukkan pada Tabel 2.

1.3 Metode analisis dan pengujian lapisan pelapis
Pemotongan kawat digunakan untuk memotong sampel metalografi dari lapisan pelapis multi-lapis dan multi-lintasan yang telah disiapkan. Permukaan sampel digiling setelah ditanamkan dengan resin epoksi pada suhu ruangan. Amplas dengan kekasaran yang berbeda digunakan untuk memoles hingga tidak ada goresan yang tertinggal. Kemudian, sampel dipoles dengan mesin pemoles untuk memperoleh penampang sampel metalografi dengan efek cermin. Sampel dikorosi dengan larutan alkohol asam nitrat 4% untuk mengetsa antarmuka lapisan pelapis yang terlihat, dibilas dengan alkohol dan dikeringkan dengan tiupan, dan struktur mikro sampel diamati dengan mikroskop metalografi; komposisi fase dan evolusi lapisan pelapis dipindai dan dianalisis dalam kisaran 30°~100° menggunakan teknologi difraksi sinar-X; analisis unsur kimia dari lapisan pelapis dilakukan menggunakan spektrometer energi; kekerasan mikro dari berbagai area penampang lapisan pelapis diuji menggunakan penguji kekerasan Vickers HVS-1000Z; kurva polarisasi dan spektrum impedansi lapisan pelapis dan material induk diuji dalam larutan NaCl 3.5% menggunakan stasiun kerja elektrokimia VersaSTAT 3F dengan elektroda kalomel jenuh sebagai elektroda referensi dan elektroda platinum sebagai elektroda tambahan, dan ketahanan korosinya dibandingkan dan dianalisis.

2 Hasil percobaan dan analisis
2.1 Analisis makromorfologi lapisan cladding
Lapisan pelapis yang diisi kawat laser disiapkan dengan eksperimen penumpukan silang-ortogonal sebanyak 29 (panjang) × 15 (lebar) × 12 lapisan (tinggi). Lapisan pelapis memiliki efek pembentukan yang baik, permukaan yang halus, tidak ada cacat makro seperti retak dan tidak menyatu, dan tinggi vertikal yang jelas. Morfologi makroskopis lapisan pelapis ditunjukkan pada Gambar 2. Selama eksperimen pelapisan kawat laser multi-lapisan multi-lintasan, proses pelapisan lapisan terakhir akan menghasilkan reaksi peleburan ulang pada lapisan pelapis sebelumnya, yang mengakibatkan aliran ke bawah di tepi lapisan pelapis. Pada saat yang sama, selama proses pelapisan, karena penundaan tertentu dalam instruksi awal dan akhir keluaran cahaya laser, ketinggian tepi lapisan pelapis akan sedikit lebih rendah daripada bagian tengah.

Gambar 3 menunjukkan morfologi penampang melintang dari lapisan pelapis laser multi-lapisan multi-lintasan. Tidak ditemukan cacat seperti pori-pori, retakan, dan inklusi. Ikatan metalurgi yang rapat terbentuk antara logam pelapis dan bahan dasar. Terdapat ketinggian vertikal yang jelas, dan ketebalan lapisan pelapis adalah 11.5 mm.

2.2 Analisis mikrostruktur lapisan pelapis
Pendinginan kolam las merupakan proses perubahan fasa, dan struktur mikro dari perubahan fasa bergantung pada komposisi kimia dan kondisi pendinginan logam las [11]. Struktur mikro setiap area lapisan kelongsong diamati menggunakan mikroskop metalografi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Lapisan kelongsong meliputi zona kelongsong (cladded zone, CZ), zona overlay (ovelapped zone, OZ), zona yang terpengaruh transisi fasa (phase transition affected zone, PAZ), zona fusi (fusion zone, FZ), zona yang terpengaruh panas (heat affected zone, HAZ) dan logam dasar (base metal, BM) [12]. Struktur mikro logam dasar terutama terdiri dari ferit dan sejumlah kecil perlit. Elemen utama Mn yang ditambahkan ke baja Q345B tidak hanya memiliki efek penguatan yang signifikan pada ferit, tetapi juga mengurangi suhu transisi ketangguhan-kerapuhan, meningkatkan jumlah perlit, dan meningkatkan kekuatan perlit.

Gambar 4 (a) menunjukkan struktur mikro area pelapis di dalam lapisan pelapis, yang tersusun dari ferit berbentuk jarum dan bilah, widmanstatten, dan sejumlah kecil martensit bilah. Karena lapisan yang berbeda, setiap lapisan pelapis akan menghasilkan efek temper pada lapisan sebelumnya, sehingga menghasilkan penyempurnaan butiran yang seragam dan batas butiran yang jelas; Gambar 4 (b) dan (b-1) menunjukkan struktur mikro area fusi, yang tersusun dari ferit dan widmanstatten dengan distribusi butiran yang tidak merata; Gambar 4 (d) menunjukkan struktur mikro area tumpang tindih dua las di dalam lapisan pelapis. Area terang pada gambar adalah garis fusi antara dua las. Selama proses pendinginan, kolam cair akan membentuk ferit kolom di sepanjang arah pembuangan panas. Oleh karena itu, area ini sebagian besar tersusun dari ferit kolom dan sejumlah kecil perlit, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 (d-1). Karena aksi termal ganda, area tumpang tindih memiliki penyempurnaan butiran yang seragam; Gambar Gambar 4 (d-2) adalah area yang terpengaruh transformasi fasa, yang sebagian besar tersusun dari ferit dan Widmanstatten. Karena pengaruh panas transformasi fasa, ukuran butiran area ini sedikit lebih besar daripada area tumpang tindih; Gambar 4 (e-1) adalah mikrostruktur zona yang terpengaruh panas. Selama proses pengelasan, area pelapis bawah mengalami tempering, yang membuat struktur area ini halus dan distribusi butiran seragam. Ini sebagian besar tersusun dari ferit berbutir halus dan sejumlah kecil perlit. Ferit berbutir halus adalah produk transformasi antara ferit dan bainit. Ini adalah mikrostruktur yang bermanfaat dalam proses metalurgi pengelasan [11].

Gambar 5 adalah struktur mikro lapisan pelapis terakhir. Lapisan ini tidak mengalami pemanasan sekunder laser. Dibandingkan dengan lapisan lain, lapisan ini dapat mempertahankan morfologi struktur aslinya. Ukuran butirannya seragam dan strukturnya padat. Lapisan ini terutama terdiri dari ferit, Widmanstatten, dan martensit lath.

2.3 Analisis XRD dan EDS pada lapisan pelapis
Untuk menganalisis komposisi fase lapisan pelapis laser, sampel dengan ukuran 10 mm×10 mm×8 mm dipotong dengan pemotongan kawat, dan analisis uji difraksi sinar-X dilakukan setelah penggilingan dan pemolesan. Gambar 6 menunjukkan spektrum XRD lapisan pelapis laser multi-lapisan multi-lintasan dan material induk. Dengan menggabungkan hasil mikrostruktur dan spektrum XRD, dapat dilihat bahwa lapisan pelapis terutama terdiri dari sejumlah besar ferit, bagian dari martensit dan widmanstattenit, dan tidak ada fase berbahaya lainnya yang muncul. Karena ferit kolom akan terbentuk dalam proses pendinginan kolam cair pelapis laser, lapisan pelapis mengandung sejumlah besar ferit. Ketika masukan panas laser besar selama proses pengelasan, mikrostruktur lapisan pelapis akan menjadi kasar sampai batas tertentu, dan ukuran butiran akan meningkat. Pada saat ini, struktur akan tampak widmanstattenit dan martensit lath yang terlalu panas, dan kedua struktur tersebut terhuyung-huyung.

Komposisi kimia dianalisis dengan pemindaian titik pada berbagai posisi penampang sampel. Posisi pemindaian titik ditunjukkan pada Gambar 7, dan hasil analisis EDS pada berbagai area ditunjukkan pada Tabel 3. Karena kandungan unsur Cr dan Ni yang tinggi pada kawat las, kandungan Cr dan Ni pada lapisan pelapis jauh lebih tinggi daripada kandungan pada bahan induk, sehingga ketahanan korosi lapisan pelapis lebih baik daripada kandungan pada bahan induk.

2.4 Analisis kekerasan mikro lapisan kelongsong
Mikrokekerasan sampel diukur. Selama pengujian, beban adalah 1000 g, waktu penahanan adalah 10 detik, lintasan pengukuran sepanjang arah dari bahan induk ke area pelapis, dan interval antara dua titik pengambilan sampel yang berdekatan adalah 1 mm. Distribusi mikrokekerasan dari bahan induk ke area pelapis ditunjukkan pada Gambar 8. Mikrokekerasan rata-rata bahan induk adalah 172.02 HV, dan mikrokekerasan rata-rata lapisan pelapis adalah 320.13 HV. Mikrostruktur lapisan pelapis terakhir mengandung sejumlah besar ferit, widmanstattenit dan sejumlah kecil martensit lath dan perlit. Nilai kekerasan area mikrostruktur ini adalah yang tertinggi, yaitu 325.92HV. Rata-rata kekerasan lapisan pelapis jauh lebih tinggi daripada bahan induk, memenuhi persyaratan kekuatan perbaikan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8, kekerasan area pelapis umumnya didistribusikan secara bertahap. Hal ini dikarenakan dalam proses pengisian kawat laser multi-lapis dan multi-lintasan, setiap lapisan pelapis akan memiliki efek tempering pasca-pemanasan pada lapisan sebelumnya selama proses pembentukan, dan efek pemanasan awal pada lapisan berikutnya. Lapisan pelapis terakhir memiliki efek pemanasan awal tanpa tempering pasca-pemanasan, yang mendorong penyempurnaan butiran yang seragam dan meningkatkan kekerasan secara signifikan.

2.5 Analisis ketahanan korosi lapisan cladding
Korosi logam sebagian besar terjadi dalam bentuk korosi elektrokimia, dan proses korosi disertai dengan pembangkitan arus, seperti baterai primer [13-14]. Untuk menguji kinerja korosi elektrokimia dari lapisan pelapis multi-lapis dan multi-lintasan, spesimen ditempatkan dalam larutan NaCl 3.5% untuk menguji kurva polarisasi Tafel dan spektrum impedansinya.

Kurva polarisasi lapisan pelapis dan material dasar ditunjukkan pada Gambar 9. Dapat dilihat bahwa kurva polarisasi lapisan pelapis memiliki daerah pasivasi, yang menunjukkan bahwa lapisan oksida padat terbentuk pada permukaan lapisan pelapis selama proses korosi. Unsur-unsur seperti Cr, Ni, dan Si dalam lapisan oksida meningkatkan stabilitas pasivasi, menghambat difusi ion, dan meningkatkan ketahanan korosi. Potensi korosi sendiri Ecorr dan rapat arus korosi sendiri Icorr dari lapisan pelapis dan material dasar diperoleh dengan pemasangan data, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 4. Potensi korosi sendiri Ecorr dari logam dalam larutan elektrolit mencerminkan kepekaannya terhadap korosi dan merupakan indikator ketahanan material terhadap korosi elektrokimia. Semakin kecil potensi korosi sendiri, semakin mudah bagi logam untuk kehilangan elektron dan semakin lemah ketahanan korosinya; semakin besar potensi korosi sendiri, semakin sulit bagi logam untuk kehilangan elektron dan semakin kuat ketahanan korosinya[14]. Seperti yang dapat dilihat dari Tabel 4, potensi korosi sendiri dari lapisan pelapis lebih tinggi daripada bahan dasar, yang menunjukkan bahwa lapisan pelapis memiliki ketahanan korosi yang kuat. Kepadatan arus korosi sendiri Icorr sebanding dengan laju korosi. Semakin besar arus korosi, semakin cepat laju korosi material dan semakin buruk ketahanan korosinya. Seperti yang dapat dilihat dari data pada Tabel 4, arus korosi sendiri dari bahan dasar lebih tinggi daripada lapisan pelapis, yang menunjukkan bahwa ketahanan korosi bahan dasar buruk. Oleh karena itu, dengan membandingkan ukuran potensi korosi sendiri dan arus korosi sendiri, dapat disimpulkan bahwa ketahanan korosi lapisan pelapis lebih baik daripada bahan dasar.

Lapisan pelapis dan material dasar diuji dengan spektroskopi impedansi (EIS), dan plot Nyquist spektrum impedansi dari kedua sampel ditunjukkan pada Gambar 10. Z' dan Z” masing-masing adalah bagian riil dan imajiner dari impedansi terukur Z. Baik lapisan pelapis maupun material dasar menunjukkan karakteristik busur kapasitif tunggal. Semakin besar radius busur kapasitif, semakin besar total impedansi sampel dan semakin kuat ketahanan korosinya. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10, radius busur kapasitif lapisan pelapis secara signifikan lebih besar daripada material dasar. Oleh karena itu, ketahanan polarisasi lapisan pelapis lebih besar, yang menunjukkan bahwa laju korosi lapisan pelapis lebih rendah dan ketahanan korosi lebih kuat, yang konsisten dengan hasil kurva polarisasi potensial dinamis.

Singkatnya, ketahanan korosi lapisan pelapis lebih baik daripada bahan dasar. Pertama, bahan pelapis menggunakan kawat las AFEW6-86, yang memiliki kandungan Cr dan Ni lebih tinggi daripada bahan dasar, sehingga lapisan pelapis memiliki ketahanan oksidasi dan ketahanan korosi yang lebih tinggi. Dalam lingkungan korosif, ketika Cr bereaksi dengan unsur-unsur O, lapisan film oksida tahan korosi akan terbentuk di permukaan, yang akan memisahkan permukaan logam dari media korosif, mengurangi proses pelarutan anoda, dan mengurangi laju pelarutan logam pelapis, sehingga meningkatkan ketahanan korosi lapisan pelapis. Ketahanan korosi ditingkatkan[15-16]. Alasan kedua adalah bahwa distribusi ukuran butiran di lapisan pelapis lebih seragam karena peningkatan masukan panas.

3 Kesimpulan
(1) Lapisan pelapis yang diperoleh dengan metode multi layer dan multi pass Proses pengelasan kawat laser memiliki formasi makroskopis yang baik, tidak ada cacat yang jelas seperti pori-pori dan retakan, dan ikatan metalurgi yang baik terbentuk antara lapisan pelapis dan bahan induk. Ada tumpukan vertikal yang signifikan, dan ketebalan lapisan pelapis adalah 11.5 mm.
(2) Lapisan pelapis terutama terdiri dari ferit, widmanstatten, dan martensit lath. Kandungan Cr dan Ni dalam lapisan pelapis lebih tinggi daripada yang ada di bahan induk. Unsur Cr dan Ni meningkatkan stabilitas film pasivasi, menghambat difusi ion, dan meningkatkan ketahanan oksidasi dan ketahanan korosi lapisan pelapis. Selain itu, karena peningkatan masukan panas, distribusi ukuran butir di lapisan pelapis lebih seragam, sehingga ketahanan korosi lapisan pelapis lebih baik daripada bahan induk.
(3) Kekerasan rata-rata bahan induk adalah 172.02HV, dan kekerasan rata-rata lapisan pelapis adalah 320.13HV, kekerasan lapisan pelapis jauh lebih tinggi daripada kekerasan bahan induk. Karena pengaruh struktur mikro dan ukuran butiran, kekerasan area pelapis menunjukkan tren distribusi seperti tangga secara keseluruhan.