Методот на вкрстено ортогонално натрупување беше користен за извршување на повеќеслојни и повеќепропусници обложување на ласерска жица на нискојаглеродна челична плоча Q20B со дебелина од 345 mm, а беа проучувани макроскопската морфологија, микроструктурата, фазниот состав, микроцврстината и отпорноста на корозија на слојот на облогата. Резултатите покажуваат дека слојот за обложување добиен со процесот на полнење со повеќеслојна и повеќепропусна ласерска жица има добра макроскопска формација и нема очигледни дефекти како што се порите и пукнатините; слојот за обложување главно е составен од зона на обложување, зона на преклопување, погодена зона со промена на фаза, зона на фузија и зона погодена од топлина; структурата на матичниот материјал е главно ферит и перлит, а микроструктурата на слојот на обложување е главно ферит, видманстатен и мартензит; поради влијанието на микроструктурата и големината на зрната, цврстината на слојот за обложување е севкупна скалеста, а просечната цврстина на слојот на облогата е 320.13 HV, што е повисока од онаа на матичниот материјал; во 3.5% раствор на NaCl, кривата на поларизација на слојот за обложување покажува регион на пасивација, а неговата отпорност на корозија е подобра од онаа на основниот материјал. Процесот на обложување со повеќеслојна и повеќепропусна ласерска жица за полнење може да ги исполни барањата за подготовка на слоевите за обложување во вистинското инженерство.
Клучни зборови: Q345B нискојаглероден челик; обложување на ласерска жица; вкрстено ортогонално редење; микроструктура и својства

Со развојот на економијата и општеството, побарувачката на мојата земја за морски ресурси за нафта и гас продолжува да се зголемува. Фокусирањето на истражување и развој на морските ресурси е практична потреба за развој на нафтената индустрија во мојата земја [1-2]. Поради сложеното опкружување за услуги на поморските инженерски конструкции, тие се поподложни на оштетување отколку традиционалните структури. Затоа, секојдневното одржување на поморската инженерска опрема стана клучно прашање што треба итно да се реши [3]. Челик Q345B е нисколегиран челик со висока цврстина со добри сеопфатни својства и одлична заварливост. Широко се користи во морското инженерство и изградбата на мостови [4].

Како напредна технологија за заштита и поправка на облогата, ласерското обложување обезбедува ефикасен процес на формирање речиси во форма на мрежа за високопрецизна поправка на клучните делови и подготовка на облоги со напредни својства на материјалот [5]. За време на процесот на повеќеслојна и повеќепропусна обвивка, зоните погодени од топлина на соседните завари се преклопуваат, формирајќи области кои поминале низ два или повеќе термички циклуси. Микроструктурата на овие области е особено сложена [6], а фазата на составот на микроструктурата, стапката на рекристализација, скалата на талог и морфологијата на инклузија постојано се менуваат во текот на процесот [7]. Затоа, за време на процесот на повеќеслојна и повеќепропусна обвивка, често има слаби точки во областа на обложување, кои се склони кон дефект при употреба. На пример, електролитичката корозија и корозија на стрес често се забележуваат во близина на заварените споеви на садовите под притисок за време на употребата [8].

Ву и сор. [9] користени технологија за ласерско обложување да се подготви континуиран и густ слој за обложување Mo2NiB2 на челична подлога. Облогата има висока цврстина, добра отпорност на абење и отпорност на корозија, ги подобрува перформансите на подлогата и обезбедува безбедна и стабилна услуга на морската инженерска опрема. Ли и сор. [10] користеше обложување со ласерска жица за поправка на кородираните делови на површината од нерѓосувачки челик 316L и доби повеќеслоен слој за обложување со повеќе премини од нерѓосувачки челик 308L. Облогата е главно составена од аустенит и мала количина ферит, со цврстина на истегнување и издолжување од 548MPa и 40%, соодветно, што е околу 86% и 74% од подлогата.

Во овој труд, Технологија за обложување на ласерска жица се користи за подготовка на слој за ласерско обложување Q345B со вкрстено ортогонално редење. Се проучуваат макроскопската морфологија, микроструктурата, фазниот состав, микроцврстината и отпорноста на корозија на повеќеслојниот повеќепропустен слој на обложување, што дава основа за поправка на терен на морските инженерски конструкции.

1 Експеримент за обложување на ласерска жица

1.1 Експериментални материјали

Материјалот за експериментална подлога е јаглероден челик Q345B, а материјалот за обложување на жица е AFEW6-86 легирана челична жица со дијаметар од 1.2 mm. Хемиските состави на двете се прикажани во Табела 1.

1.2 Процес на обложување на повеќеслојна и повеќепропусна ласерска жица
Во вистинските инженерски апликации, на работното парче ќе влијаат сили во различни насоки за време на работата, така што треба да се земе предвид влијанието на анизотропијата. За да се намали влијанието на анизотропијата, се планира патеката на слојот за обложување, адитивната насока на заварите во истиот слој е конзистентна, насоките на заварите во соседните слоеви на редење се нормални еден на друг, а слоевите се ортогонални. Нејзината вкрстено-ортогонална патека на редење е прикажана на слика 1.

За време на експериментот за обложување, заштитниот гас е чист гас аргон со чистота на гас од 99.99%. Прво, беше спроведен ортогонален експеримент со користење на метод на еднослојно обложување со еден премин за да се истражат оптималните параметри на процесот за обложување со еден премин; потоа, беше користен повеќеслоен метод на еднопропустно натрупување за проучување на влијанието на висината на подигање помеѓу слоевите врз квалитетот на формирањето на заварот и се доби повеќеслоен еднопропустен завар со праволиниски слој на обложување и добар ефект на формирање. Врз основа на горенаведеното, беше проучено влијанието на различните стапки на преклопување врз квалитетот на формирањето на слојот за обложување и беше откриено дека кога стапката на преклопување беше 40%, висината помеѓу секое поминување на слојот за обложување беше релативно униформа, површинската формација беше релативно рамна, а металуршката врска помеѓу секој премин беше најсилна. Висината на кревање помеѓу експерименталните слоеви е 0.8 mm за секој од првите два слоја и 0.7 mm за секој од следните слоеви. Специфичните експериментални параметри се прикажани во Табела 2.

1.3 Анализа и метод на тестирање на слојот за обложување
Сечење на жица беше искористено за сечење на металографски примероци од подготвениот повеќеслоен и повеќепропусен слој за обложување. Површината на примерокот беше мелена откако беше вградена со епоксидна смола на собна температура. За полирање се користеше шкурка со различна грубост додека не останаа гребнатини. Потоа, примерокот беше полиран со машина за полирање за да се добие металографски примерок напречен пресек со ефект на огледало. Примерокот беше кородиран со 4% раствор на алкохол од азотна киселина за да се издлаби видливиот слој на обвивката, исплакнат со алкохол и сушење со воздух, а микроструктурата на примерокот беше забележана со металографски микроскоп; фазниот состав и еволуцијата на слојот за обложување беа скенирани и анализирани во опсег од 30°~100° со помош на технологија за дифракција на Х-зраци; анализата на хемискиот елемент на слојот на обложување беше извршена со помош на енергетски спектрометар; микротврдоста на различни области на пресекот на слојот на обложување беше тестирана со помош на тестер на цврстина HVS-1000Z Vickers; кривите на поларизација и спектрите на импедансата на слојот за обложување и основниот материјал беа тестирани во 3.5% раствор на NaCl користејќи електрохемиска работна станица VersaSTAT 3F со заситена каломел електрода како референтна електрода и платина електрода како помошна електрода и нивната отпорност на корозија беше споредено и анализирано.

2 Експериментални резултати и анализа
2.1 Макроморфолошка анализа на слојот на обложување
Слојот на обложување исполнет со ласерска жица беше подготвен со вкрстено ортогонално редење експеримент од 29 (должина) × 15 (ширина) × 12 слоеви (висина). Слојот за обложување има добар ефект на формирање, мазна површина, без макро дефекти како што се пукнатини и несоединети и очигледна вертикална висина. Макроскопската морфологија на слојот на облогата е прикажана на Слика 2. За време на повеќеслојниот експеримент со повеќеслојна обвивка со ласерска жица, процесот на обложување на вториот слој ќе произведе реакција на повторно топење на претходниот слој на обложување, што ќе резултира со проток надолу при работ на слојот за обложување. Во исто време, за време на процесот на обложување, поради одредено доцнење во упатствата за почеток и крај на излезот на ласерската светлина, висината на работ на слојот за обложување ќе биде малку помала од средниот дел.

Слика 3 ја прикажува морфологијата на напречниот пресек на повеќеслојниот повеќепропусен ласерски слој за обложување. Не се пронајдени дефекти како пори, пукнатини и подмножества. Беше формирана густа металуршка врска помеѓу металот за обложување и основниот материјал. Имаше очигледна вертикална висина, а дебелината на слојот на облогата беше 11.5 mm.

2.2 Анализа на микроструктура на слојот на обложување
Ладењето на базенот за заварување е процес на промена на фазата, а микроструктурата на фазната промена зависи од хемискиот состав и условите за ладење на металот на заварот [11]. Микроструктурата на секоја област на слојот за обложување беше забележана со помош на металографски микроскоп, како што е прикажано на слика 4. Слојот на обложување ја вклучува зоната на обложување (обложена зона, CZ), зоната на преклопување (зона преклопена, OZ), фазата зона погодена од транзиција (зафатена зона со транзиција на фаза, PAZ), зона на фузија (зона на фузија, FZ), зона погодена од топлина (зона погодена од топлина, HAZ) и основниот метал (основен метал, BM) [12]. Микроструктурата на основниот метал е главно составена од ферит и мала количина на перлит. Главниот елемент Mn додаден на челикот Q345B не само што има значително зајакнувачки ефект врз феритот, туку и ја намалува температурата на транзиција цврстина-кршливост, ја зголемува количината на перлит и ја подобрува јачината на перлитот.

Слика 4 (а) ја прикажува микроструктурата на областа за обложување во внатрешноста на слојот за обложување, кој е составен од летва и ферит во облик на игла, widmanstatten и мала количина летва мартензит. Поради различните слоеви, секој слој на обложување ќе произведе ефект на калење на претходниот слој, што резултира со униформа префинетост на зрната и јасни граници на зрната; На сликите 4 (б) и (б-1) е прикажана микроструктурата на областа за фузија, која е составена од ферит и widmanstatten со нерамномерна распределба на зрната; Слика 4 (г) ја прикажува микроструктурата на површината на преклопување на два завари во внатрешноста на слојот за обложување. Светлата област на сликата е линијата на фузија помеѓу двата завари. За време на процесот на ладење, стопениот базен ќе формира колонообразен ферит долж насоката на дисипација на топлина. Затоа, оваа област е главно составена од колонообразен ферит и мала количина на перлит, како што е прикажано на Слика 4 (d-1). Поради двојното термичко дејство, областа на преклопување има униформа префинетост на зрната; Слика Слика 4 (d-2) е погодената област со фазна трансформација, која главно се состои од ферити и Widmanstatten. Поради влијанието на топлината на фазна трансформација, големината на зрната на оваа област е малку поголема од онаа на површината на преклопување; Слика 4 (е-1) е микроструктурата на зоната погодена од топлина. За време на процесот на заварување, долната површина на обложување е подложена на калење, што ја прави структурата на оваа област рафинирана и дистрибуцијата на зрната униформа. Главно е составен од ситнозрнест ферит и мала количина на перлит. Ситнозрнестиот ферит е производ на трансформација помеѓу феритот и баинитот. Тоа е корисна микроструктура во металуршкиот процес на заварување [11].

Слика 5 е микроструктурата на последниот слој на обложување. Овој слој не е подложен на ласерско секундарно загревање. Во споредба со другите слоеви, може да ја задржи оригиналната морфологија на структурата. Неговата големина на зрно е униформа, а структурата е густа. Главно е составен од ферит, Видманштатен и летва мартензит.

2.3 XRD и EDS анализа на слојот на обложување
За да се анализира фазниот состав на слојот за ласерска обвивка, со сечење на жица е исечен примерок со големина од 10 mm×10 mm×8 mm, а по мелење и полирање е извршена анализа на рендгенско дифракционо тест. Слика 6 го прикажува XRD спектарот на повеќеслојниот повеќепропусен ласерски слој за обложување и основниот материјал. Комбинирајќи ги резултатите од микроструктурата и XRD спектарот, може да се види дека слојот на обложување е главно составен од големо количество ферити, дел од мартензит и видманстатенит и не се појавуваат други штетни фази. Бидејќи во процесот на ладење на растопениот базен со ласерско обложување ќе се формира колонообразен ферит, слојот за обложување содржи голема количина ферит. Кога внесот на топлина на ласерот е голем за време на процесот на заварување, микроструктурата на слојот за обложување до одреден степен ќе се груба, а големината на зрната ќе се зголеми. Во тоа време, структурата ќе се појави прегреан видманстатенит и летва мартензит, а двете структури се влечкаат.

Хемискиот состав беше анализиран со скенирање на различни позиции на пресекот на примерокот. Позициите на скенирање на точки се прикажани на слика 7, а резултатите од анализата на EDS на различни области се прикажани во Табела 3. Поради високата содржина на елементите Cr и Ni во жицата за заварување, содржината на Cr и Ni во слојот на облогата е значително повисока од онаа на основниот материјал, што ја прави отпорноста на корозија на слојот за обложување подобра од онаа на основниот материјал.

2.4 Анализа на микротврдост на слојот на обложување
Се мери микротврдоста на примерокот. За време на тестот, оптоварувањето беше 1000 g, времето на задржување беше 10 секунди, патеката на мерење беше долж насоката од основниот материјал до областа за обложување, а интервалот помеѓу две соседни точки за земање примероци беше 1 mm. Распределбата на микротврдоста од основниот материјал до областа на обложување е прикажана на слика 8. Просечната микроцврстина на основниот материјал е 172.02 HV, а просечната микроцврстина на слојот за обложување е 320.13 HV. Микроструктурата на последниот слој на обложување содржи големо количество ферит, видманстатенит и мала количина летва мартензит и перлит. Вредноста на тврдоста на оваа област на микроструктура е највисока, која изнесува 325.92 HV. Просечната цврстина на слојот за обложување е многу повисока од онаа на основниот материјал, задоволувајќи ги барањата за јачина на поправка. Како што е прикажано на Слика 8, цврстината на областа за обложување генерално се дистрибуира на чекор-како начин. Тоа е затоа што во процесот на полнење на повеќеслојна и повеќепропусна ласерска жица, секој слој на обложување ќе има ефект на калење по загревањето на претходниот слој за време на процесот на формирање и ефект на предзагревање на следниот слој. Последниот слој на обложување има ефект на претходно загревање без калење по загревањето, што промовира еднообразно префинетост на зрната и значително ја подобрува цврстината.

2.5 Анализа на отпорност на корозија на слојот за обложување
Поголемиот дел од металната корозија се изведува во форма на електрохемиска корозија, а процесот на корозија е придружен со генерирање струја, исто како примарната батерија [13-14]. Со цел да се тестираат перформансите на електрохемиска корозија на повеќеслојниот и повеќепропусен слој на обложување, примерокот беше ставен во 3.5% раствор на NaCl за да се тестира неговата крива на поларизација на Тафел и спектарот на импеданса.

Кривите на поларизација на слојот за обложување и основниот материјал се прикажани на слика 9. Може да се види дека кривата на поларизација на слојот на облогата има област на пасивација, што покажува дека на површината на слојот за обложување се формира густа оксидна фолија за време на процесот на корозија. Елементите како Cr, Ni и Si во оксидниот филм ја подобруваат стабилноста на пасивација, ја попречуваат дифузијата на јоните и ја подобруваат отпорноста на корозија. Потенцијалот за самокорозија Ecorr и густината на струјата на самокорозија Icorr на слојот за обложување и основниот материјал се добиваат со поставување на податоци, како што е прикажано во Табела 4. корозија и е показател за отпорноста на материјалот на електрохемиска корозија. Колку е помал потенцијалот за самокорозија, толку полесно металот губи електрони и е послаба неговата отпорност на корозија; колку е поголем потенцијалот за самокорозија, толку е потешко металот да губи електрони и е посилна неговата отпорност на корозија[14]. Како што може да се види од Табела 4, потенцијалот за самокорозија на слојот за обложување е поголем од оној на основниот материјал, што покажува дека слојот на облогата има силна отпорност на корозија. Густината на самокорозивната струја Icorr е пропорционална на стапката на корозија. Колку е поголема струјата на корозија, толку е поголема стапката на корозија на материјалот и полоша е отпорноста на корозија. Како што може да се види од податоците во Табела 4, самокорозионата струја на основниот материјал е поголема од онаа на слојот за обложување, што покажува дека отпорноста на корозија на основниот материјал е слаба. Затоа, со споредување на големината на потенцијалот за самокорозија и струјата на самокорозија, може да се заклучи дека отпорноста на корозија на слојот за обложување е подобра од онаа на основниот материјал.

Слојот на обложување и основниот материјал беа тестирани со импеданса спектроскопија (EIS), а Nyquist графиците на спектарот на импеданса на двата примероци се прикажани на слика 10. Z' и Z" се реалните и имагинарните делови на измерената импеданса Z, соодветно . И слојот за обложување и основниот материјал претставуваат единствена карактеристика на капацитивен лак. Колку е поголем радиусот на капацитивниот лак, толку е поголема вкупната импеданса на примерокот и толку е посилен отпорот на корозија. Како што е прикажано на слика 10, радиусот на капацитивниот лак на слојот за обложување е значително поголем од оној на основниот материјал. Затоа, отпорот на поларизација на слојот за обложување е поголем, што покажува дека стапката на корозија на слојот за обложување е помала, а отпорноста на корозија е посилна, што е во согласност со резултатите од кривата на поларизација на динамичкиот потенцијал.

Накратко, отпорноста на корозија на слојот за обложување е подобра од онаа на основниот материјал. Прво, материјалот за обложување користи жица за заварување AFEW6-86, која има поголема содржина на Cr и Ni од основниот материјал, така што слојот на обложување има поголема отпорност на оксидација и отпорност на корозија. Во корозивна средина, кога Cr реагира со O елементи, на површината ќе се формира слој од оксид отпорен на корозија, кој ќе ја оддели металната површина од корозивниот медиум, ќе го намали процесот на растворање на анодата и ќе го намали растворањето. стапка на металот за обложување, со што се подобрува отпорноста на корозија на слојот за обложување. Отпорноста на корозија е подобрена[15-16]. Втората причина е што дистрибуцијата на големината на зрната во слојот на обложување е порамномерна поради зголемувањето на внесот на топлина.

3 Заклучок
(1) Слојот за обложување добиен од повеќеслојниот и мулти-пас процес на заварување со ласерска жица има добра макроскопска формација, нема очигледни дефекти како што се порите и пукнатините и се формира добра металуршка врска помеѓу слојот за обложување и основниот материјал. Има значително вертикално натрупување, а дебелината на слојот на облогата е 11.5 мм.
(2) Слојот за обложување е главно составен од ферит, видманстатен и летва мартензит. Содржината на Cr и Ni во слојот на обложување е поголема од онаа во матичниот материјал. Елементите Cr и Ni ја подобруваат стабилноста на филмот за пасивација, ја попречуваат дифузијата на јоните и ја подобруваат отпорноста на оксидација и отпорноста на корозија на слојот за обложување. Покрај тоа, поради зголемувањето на внесот на топлина, дистрибуцијата на големината на зрната во слојот на обложување е порамномерна, така што отпорноста на корозија на слојот за обложување е подобра од онаа на основниот материјал.
(3) Просечната цврстина на основниот материјал е 172.02 HV, а просечната цврстина на слојот за обложување е 320.13 HV, тврдоста на слојот за обложување е многу повисока од онаа на основниот материјал. Поради влијанието на микроструктурата и големината на зрната, тврдоста на областа за обложување покажува тренд на дистрибуција како чекор како целина.