クロス直交スタッキング法は、多層およびマルチパスを実行するために使用されました。 レーザーワイヤークラッディング 20mm厚のQ345B低炭素鋼板に、被覆層のマクロ形態、微細構造、相組成、微小硬度、耐食性を調べた。結果は、多層およびマルチパスレーザーワイヤ充填プロセスによって得られた被覆層は、マクロ構造が良好で、気孔や亀裂などの明らかな欠陥がなく、被覆層は主に クラッディングゾーン、オーバーラップゾーン、相変化影響ゾーン、溶融ゾーン、熱影響ゾーン。母材構造は主にフェライトとパーライトで、クラッド層の微細構造は主にフェライト、ウィドマンシュテッテン、マルテンサイトです。微細構造と粒径の影響により、クラッド層の硬度は全体的に階段状になっており、クラッド層の平均硬度は320.13 HVで、母材よりも高くなっています。3.5％NaCl溶液では、クラッド層の分極曲線は不動態領域を示し、耐食性は母材よりも優れています。多層およびマルチパスレーザーワイヤ充填クラッディングプロセスは、実際のエンジニアリングにおけるクラッド層の準備要件を満たすことができます。
キーワード: Q345B 低炭素鋼、レーザーワイヤクラッディング、交差直交スタッキング、微細構造と特性

経済社会の発展に伴い、我が国の海洋石油・ガス資源に対する需要は増加し続けています。海洋資源の探査と開発に重点を置くことは、我が国の石油産業の発展にとって実際的な必要性です[1-2]。海洋工学構造物は使用環境が複雑なため、従来の構造物よりも損傷を受けやすくなっています。そのため、海洋工学設備の日常的なメンテナンスは、緊急に解決する必要がある重要な問題となっています[3]。Q345B鋼は、総合的な特性が優れ、溶接性に優れた低合金高強度鋼であり、海洋工学や橋梁建設に広く使用されています[4]。

高度な保護および修復コーティング技術として、レーザークラッディングは、重要な部品の高精度修復と高度な材料特性を備えたコーティングの準備のための効率的なニアネットシェイプ成形プロセスを提供します[5]。 多層およびマルチパスクラッディングプロセス中、隣接する溶接部の熱影響部が重なり、6回以上の熱サイクルを経た領域が形成されます。 これらの領域の微細構造は特に複雑であり[7]、微細構造の組成相、再結晶速度、析出スケール、および介在物の形態は、プロセス全体を通じて継続的に変化します[8]。 そのため、多層およびマルチパスクラッディングプロセス中、クラッディング領域に弱点が存在することが多く、使用中に破損しやすくなります。 たとえば、使用中の圧力容器の溶接継手の近くでは、電気腐食や応力腐食がよく見られます[XNUMX]。

ウーら[9]は レーザークラッディング技術 鋼基板上に連続的で緻密なMo2NiB2クラッディング層を作製する。このコーティングは硬度が高く、耐摩耗性と耐腐食性に優れており、基板の性能を向上させ、海洋工学機器の安全で安定したサービスを保証します。Li et al. [10]は、レーザーワイヤクラッディングを使用して316Lステンレス鋼表面の腐食部分を修復し、308Lステンレス鋼の多層マルチパスクラッディング層を得ました。コーティングは主にオーステナイトと少量のフェライトで構成されており、引張強度と伸びはそれぞれ548MPaと40％で、基板の約86％と74％です。

本論文では、 レーザーワイヤークラッディング技術 交差直交積層法によるQ345Bレーザークラッディング層の製造に使用されます。多層マルチパスクラッディング層のマクロ形態、微細構造、相組成、微小硬度、耐食性を研究し、海洋工学構造物の現場補修の基礎を提供します。

1 レーザーワイヤークラッディング実験

1.1 実験材料

実験基板材料はQ345B炭素鋼、ワイヤ被覆材料は直径6mmのAFEW86-1.2合金鋼ワイヤであり、両者の化学組成を表1に示す。

1.2 多層・多パスレーザーワイヤクラッディングプロセス
実際のエンジニアリングアプリケーションでは、作業中にワークピースはさまざまな方向の力の影響を受けるため、異方性の影響を考慮する必要があります。異方性の影響を減らすために、クラッド層のパスが計画され、同じ層内の溶接の追加方向が一貫しており、隣接する積層層の溶接の方向が互いに垂直であり、層が直交しています。その交差直交積層パスを図1に示します。

クラッディング実験中、シールドガスはガス純度99.99％の純アルゴンガスである。まず、単層単パスクラッディング法を用いて直交実験を行い、単パスクラッディングの最適なプロセスパラメータを探った。次に、多層単パススタッキング法を用いて層間のリフト高さが溶接成形品質に及ぼす影響を研究し、まっすぐなクラッディング層と良好な成形効果を持つ多層単パス溶接を得た。上記に基づいて、異なるオーバーラップ率がクラッディング層の成形品質に及ぼす影響を研究したところ、オーバーラップ率が40％の場合、クラッディング層の各パス間の高さは比較的均一で、表面形成は比較的平坦で、各パス間の冶金結合が最も強いことがわかった。実験層間のリフト高さは、最初の0.8層ではそれぞれ0.7 mm、後続の層ではそれぞれ2 mmである。具体的な実験パラメータは表XNUMXに示されています。

1.3 被覆層の分析と試験方法
準備した多層およびマルチパスのクラッド層からワイヤーカットを使用して金属組織サンプルを切り出しました。サンプル表面を室温でエポキシ樹脂で包埋した後、研磨しました。異なる粗さのサンドペーパーを使用して、傷がなくなるまで研磨しました。次に、サンプルを研磨機で研磨して、鏡面効果のある金属組織サンプルの断面を得ました。サンプルを4％硝酸アルコール溶液で腐食して、目に見えるクラッド層界面をエッチングし、アルコールですすいで乾燥させ、サンプルの微細構造を金属組織顕微鏡で観察しました。クラッド層の相組成と進化は、X線回折技術を使用して30°〜100°の範囲でスキャンおよび分析しました。クラッド層の化学元素分析は、エネルギー分光計を使用して実行しました。クラッド層断面のさまざまな領域の微小硬度は、HVS-1000Zビッカース硬度計を使用してテストしました。飽和カロメル電極を参照電極とし、白金電極を補助電極としたVersaSTAT 3.5F電気化学ワークステーションを用いて、被覆層と母材の分極曲線とインピーダンススペクトルを3% NaCl溶液中で試験し、耐食性を比較・分析した。

2 実験結果と解析
2.1 被覆層のマクロ形態分析
レーザーワイヤー充填クラッド層は、29（長さ）×15（幅）×12層（高さ）の交差直交積層実験によって準備されました。クラッド層は、良好な成形効果、滑らかな表面、亀裂や未溶融などのマクロ欠陥がなく、明らかな垂直高さを備えています。クラッド層のマクロ形態を図2に示します。多層マルチパスレーザーワイヤークラッド実験中、後層のクラッドプロセスにより、前のクラッド層に再溶融反応が発生し、クラッド層の端で下向きの流れが発生します。同時に、クラッドプロセス中、レーザー光出力の開始および終了指示に一定の遅延があるため、クラッド層の端の高さは中央部分よりもわずかに低くなります。

図3は、多層マルチパスレーザークラッディング層の断面形態を示しています。気孔、亀裂、介在物などの欠陥は見つかりませんでした。クラッディング金属とベース材料の間には緻密な冶金結合が形成されました。垂直高さは明らかで、クラッディング層の厚さは11.5mmでした。

2.2 クラッド層の微細構造解析
溶接プールの冷却は相変化プロセスであり、相変化の微細構造は溶接金属の化学組成と冷却条件に依存する[11]。 図4に示すように、金属顕微鏡を使用してクラッド層の各領域の微細構造を観察しました。 クラッド層には、クラッドゾーン（クラッドゾーン、CZ）、オーバーレイゾーン（オーバーラップゾーン、OZ）、相転移影響ゾーン（相転移影響ゾーン、PAZ）、溶融ゾーン（溶融ゾーン、FZ）、熱影響部（熱影響部、HAZ）およびベースメタル（ベースメタル、BM）が含まれます[12]。 ベースメタルの微細構造は、主にフェライトと少量のパーライトで構成されています。 Q345B鋼に添加される主要元素Mnは、フェライトを大幅に強化するだけでなく、靭性-脆性遷移温度を下げ、パーライトの量を増やし、パーライトの強度を向上させます。

図4（a）は、クラッド層内のクラッド領域の微細構造を示しており、ラスおよび針状フェライト、ウィドマンシュテッテン、および少量のラスマルテンサイトで構成されています。層が異なるため、各クラッド層は前の層に対して焼き戻し効果を生み出し、均一な結晶粒微細化と明確な粒界をもたらします。図4（b）および（b-1）は、不均一な結晶粒分布を持つフェライトとウィドマンシュテッテンで構成される溶融領域の微細構造を示しています。図4（d）は、クラッド層内の4つの溶接部の重なり合う領域の微細構造を示しています。図の明るい領域は、1つの溶接部間の溶融線です。冷却プロセス中に、溶融池は熱放散方向に沿って柱状のフェライトを形成します。したがって、この領域は、図4（d-2）に示すように、主に柱状のフェライトと少量のパーライトで構成されています。二重の熱作用により、重なり合う領域は均一な結晶粒微細化を示します。図4（d-1）は相変態の影響を受けた領域で、主にフェライトとウィドマンシュテッテンで構成されています。相変態熱の影響により、この領域の結晶粒度は重なり合う領域よりもわずかに大きくなっています。図11（e-XNUMX）は熱影響部の微細構造です。溶接プロセス中、下部クラッド領域は焼き戻しを受け、この領域の構造が微細化され、結晶粒分布が均一になります。主に細粒フェライトと少量のパーライトで構成されています。細粒フェライトは、フェライトとベイナイトの間の変態生成物であり、溶接冶金プロセスにおいて有益な微細構造です[XNUMX]。

図5は最後のクラッド層の微細構造です。この層はレーザー二次加熱を受けていません。他の層と比較して、元の構造形態を維持できます。その粒径は均一で、構造は緻密です。主にフェライト、ウィドマンシュテッテン、ラスマルテンサイトで構成されています。

2.3 被覆層のXRDおよびEDS分析
レーザークラッディング層の相組成を分析するために、10 mm×10 mm×8 mmのサンプルをワイヤーカットで切り出し、研削および研磨後にX線回折試験分析を行った。図6は、多層マルチパスレーザークラッディング層と母材のXRDスペクトルを示しています。ミクロ組織とXRDスペクトルの結果を組み合わせると、クラッディング層は主に大量のフェライト、一部のマルテンサイトとウィドマンスタテナイトで構成され、他の有害な相は現れないことがわかります。レーザークラッディング溶融池の冷却過程で柱状フェライトが形成されるため、クラッディング層には大量のフェライトが含まれています。溶接プロセス中にレーザーの入熱が大きい場合、クラッディング層のミクロ組織はある程度粗大化し、粒径が増加します。このとき、組織は過熱されたウィドマンスタテナイトとラスマルテンサイトが現れ、XNUMXつの組織が交互になります。

サンプル断面の異なる位置で点走査により化学組成を分析した。点走査位置を図7に示し、異なる領域のEDS分析結果を表3に示す。溶接ワイヤ中のCrおよびNi元素の含有量が高いため、クラッド層のCrおよびNi含有量は母材よりも大幅に高く、クラッド層の耐食性が母材よりも優れています。

2.4 クラッド層の微小硬度分析
サンプルの微小硬度を測定した。試験中、荷重は1000 g、保持時間は10秒、測定経路は母材からクラッド領域への方向に沿っており、隣接する1つのサンプリングポイント間の間隔は8 mmであった。母材からクラッド領域への微小硬度分布を図172.02に示します。母材の平均微小硬度は320.13 HV、クラッド層の平均微小硬度は325.92 HVです。最後のクラッド層の微細構造には、大量のフェライト、ウィドマンスタテナイト、少量のラスマルテンサイトとパーライトが含まれています。この微細構造領域の硬度値は最も高く、8 HVです。クラッド層の平均硬度は母材よりもはるかに高く、修復強度の要件を満たしています。図XNUMXに示すように、クラッド領域の硬度は一般に階段状に分布しています。これは、多層およびマルチパスレーザーワイヤ充填のプロセスにおいて、各クラッド層は形成プロセス中に前の層に対して後加熱焼戻し効果を持ち、次の層に対して予熱効果を持つためです。最後のクラッド層は、後加熱焼戻しなしで予熱効果を持ち、均一な結晶粒微細化を促進し、硬度を大幅に向上させます。

2.5 被覆層の耐食性の解析
ほとんどの金属腐食は電気化学的腐食の形で行われ、腐食プロセスは一次電池のように電流の発生を伴います[13-14]。多層およびマルチパスクラッディング層の電気化学的腐食性能を試験するために、試験片を3.5％NaCl溶液に入れて、ターフェル分極曲線とインピーダンススペクトルを試験しました。

クラッド層と基材の分極曲線を図9に示します。クラッド層の分極曲線には不動態化領域があり、腐食プロセス中にクラッド層の表面に緻密な酸化膜が形成されていることがわかります。酸化膜中のCr、Ni、Siなどの元素は、不動態化の安定性を高め、イオンの拡散を妨げ、耐食性を向上させます。クラッド層と基材の自己腐食電位Ecorrと自己腐食電流密度Icorrは、表4に示すように、データフィッティングによって得られます。電解質溶液中の金属の自己腐食電位Ecorrは、腐食に対する感受性を反映し、材料の電気化学的腐食に対する耐性の指標です。自己腐食電位が小さいほど、金属は電子を失いやすく、耐食性が弱くなります。自己腐食電位が大きいほど、金属は電子を失いにくく、耐食性が強くなります[14]。表4からわかるように、クラッド層の自己腐食電位は母材よりも高く、クラッド層の耐食性が強いことを示しています。自己腐食電流密度Icorrは腐食速度に比例します。腐食電流が大きいほど、材料の腐食速度が速く、耐食性が悪くなります。表4のデータからわかるように、母材の自己腐食電流はクラッド層の自己腐食電流よりも高く、母材の耐食性が悪いことを示しています。したがって、自己腐食電位と自己腐食電流の大きさを比較することで、クラッド層の耐食性が母材よりも優れていると結論付けることができます。

クラッド層とベース材料はインピーダンス分光法（EIS）でテストされ、10つのサンプルのインピーダンススペクトルナイキスト線図が図10に示されています。Z'とZ”は、それぞれ測定されたインピーダンスZの実数部と虚数部です。クラッド層とベース材料はどちらも単一の容量性アーク特性を示します。容量性アークの半径が大きいほど、サンプルの総インピーダンスが大きくなり、耐食性が強くなります。図XNUMXに示すように、クラッド層の容量性アークの半径はベース材料のそれよりも大幅に大きくなっています。したがって、クラッド層の分極抵抗は大きく、クラッド層の腐食速度が低く、耐食性が強いことを示しています。これは、動的電位分極曲線の結果と一致しています。

まとめると、クラッド層の耐食性は母材よりも優れています。まず、クラッド材には母材よりもCrとNiの含有量が多いAFEW6-86溶接ワイヤを使用しているため、クラッド層の耐酸化性と耐腐食性が高くなります。腐食性環境では、CrがO元素と反応すると、表面に耐食性酸化膜の層が形成され、金属表面が腐食性媒体から分離され、陽極の溶解プロセスが減少し、クラッド金属の溶解速度が低下し、クラッド層の耐食性が向上します。耐食性が向上します[15-16]。XNUMX番目の理由は、入熱の増加により、クラッド層内の粒度分布がより均一になることです。

3まとめ
（１）多層・多パス法で得られるクラッド層 レーザーワイヤー溶接プロセス マクロ的な形成が良好で、気孔や亀裂などの明らかな欠陥がなく、被覆層と母材の間に良好な冶金結合が形成されており、垂直方向の積み重ねが顕著で、被覆層の厚さは11.5mmです。
（２）クラッド層は主にフェライト、ウィドマンシュテッテン、ラスマルテンサイトから構成され、クラッド層中のCrとNiの含有量は母材よりも高く、CrとNi元素は不動態膜の安定性を高め、イオンの拡散を妨げ、クラッド層の耐酸化性と耐食性を向上させる。また、入熱量の増加により、クラッド層内の粒度分布がより均一になり、クラッド層の耐食性が母材よりも優れている。
（３）母材の平均硬度は１７２．０２ＨＶ、クラッド層の平均硬度は３２０．１３ＨＶであり、クラッド層の硬度は母材の硬度よりはるかに高い。微細組織と粒径の影響により、クラッド領域の硬度は全体として階段状の分布傾向を示している。