Teknologi pelapisan laser digunakan untuk menyediakan lapisan pelapis aloi entropi tinggi FeAlCrNiSix dengan jumlah penambahan Si yang berbeza pada permukaan keluli struktur kejuruteraan marin berkekuatan tinggi DH36 untuk meningkatkan lagi rintangan kakisan keluli struktur marin. Difraktometer sinar-X (XRD), mikroskop optik (OM) dan mikroskop elektron pengimbasan (SEM) digunakan untuk menganalisis komposisi fasa dan struktur mikro lapisan pelapisan aloi entropi tinggi. Kekerasan mikro lapisan pelapisan diukur, dan tingkah laku kakisan lapisan pelapisan dianalisis menggunakan lengkung polarisasi. Keputusan menunjukkan bahawa penambahan unsur Si menyebabkan fasa lapisan pelapisan berubah daripada fasa FCC+BCC kepada fasa BCC tunggal, saiz dendrit secara beransur-ansur berkurangan, dan akhirnya berubah sepenuhnya menjadi kristal equiaxed yang tidak sekata. Kekerasan purata lapisan pelapisan mula-mula meningkat dan kemudian berkurangan, dan nilai kekerasan tertinggi ialah 430.15HV0.1. Penambahan unsur Si juga berkesan meningkatkan rintangan kakisan lapisan pelapisan. Rintangan kakisan lapisan pelapisan menunjukkan arah aliran pertama meningkat dan kemudian menurun dengan peningkatan penambahan unsur Si. Memandangkan parameter elektrokimia secara menyeluruh, lapisan pelapisan FeAlCrNiSi0.25 mempunyai rintangan kakisan terbaik.

Hakisan marin adalah halangan paling serius dalam proses pembangunan dan penggunaan sumber marin, dan ia menyebabkan kerugian ekonomi yang besar setiap tahun. Persekitaran marin adalah sangat kompleks, dan suhu, nilai pH, kemasinan, mikroorganisma, dll. adalah semua faktor penting yang menyebabkan kakisan struktur kejuruteraan marin. Persekitaran marin dibahagikan kepada zon atmosfera, zon percikan, zon pasang surut, zon rendaman air laut dan zon lumpur dasar laut. Antaranya, zon percikan mempunyai kakisan yang paling serius disebabkan oleh pertukaran kering dan basah, bekalan oksigen yang mencukupi dan gelombang malar [1-3].

Teknologi pelapisan laser adalah teknologi pengubahsuaian permukaan yang pesat membangun [4]. Ia boleh menyediakan salutan pelindung dengan rintangan kakisan yang baik pada permukaan bahan kerja pada kos yang rendah untuk memenuhi keperluan penggunaan bahagian dan peralatan logam yang berbeza, dan memanjangkan hayat perkhidmatan bahagian dan peralatan logam di bawah keadaan yang sangat keras [5-7 ]. Ia juga boleh digunakan untuk membaiki bahagian yang rosak dan mengurangkan kos penyelenggaraannya. Ia telah digunakan secara meluas dalam kemudahan marin, aeroangkasa, pengekstrakan minyak dan kejuruteraan perubatan [8-10].

Konsep aloi entropi tinggi telah mendapat perhatian yang meluas dalam bidang akademik sejak ia dicadangkan pada tahun 2004 [11]. Aloi entropi tinggi biasanya terdiri daripada 5 atau lebih unsur, dan pecahan molar setiap unsur ialah 5%~35%[12]. Aloi entropi tinggi terdiri daripada penyelesaian pepejal ringkas dalam struktur fasa dan mempunyai sifat komprehensif yang sangat baik, seperti kekuatan tinggi, kekerasan tinggi, dan rintangan kakisan yang baik[13-14]. Penggunaan pelapisan laser untuk menyediakan salutan aloi entropi tinggi boleh meningkatkan prestasi aloi dengan berkesan dan memenuhi keadaan persekitaran yang lebih teruk. GAO et al.[15] menggunakan teknologi pelapisan laser untuk menyediakan salutan Ni60 dengan kandungan Fe yang berbeza pada substrat Q235. Rintangan kakisan salutan mula-mula menurun dan kemudian meningkat dengan peningkatan kandungan Fe. Salutan dengan kandungan Fe (pecahan jisim) sebanyak 25% mempunyai rintangan kakisan yang baik, yang bersamaan dengan aloi Ni60AA, tetapi peningkatan kandungan Fe membawa kepada kehilangan fasa pengukuhan dan penurunan kekerasan salutan. Jiang et al. [16] menggunakan teknologi pelapisan laser untuk menyediakan salutan aloi entropi tinggi AlCoCrxFeNi pada keluli 45 sebagai substrat. Apabila kandungan Cr adalah 1.0% dan 1.5%, salutan mempunyai struktur fasa FCC tunggal. Salutan aloi entropi tinggi AlCoCrxFeNi mempunyai potensi kakisan yang lebih tinggi, arus pempasifan yang lebih rendah, dan julat potensi pempasifan yang lebih besar, yang secara berkesan meningkatkan rintangan kakisan 45 keluli. Zhou et al. [17] menyediakan pelapisan laser FeCoNiCrMox salutan aloi entropi tinggi pada permukaan 40Cr dan mengkaji kesan kandungan Mo terhadap rintangan kakisan salutan. Dengan peningkatan kandungan Mo, rintangan kakisan salutan mula-mula meningkat dan kemudian menurun. Ini kerana unsur Mo yang berlebihan akan menyebabkan fasa γ salutan memendakan, menyebabkan kakisan galvanik dan mengurangkan rintangan kakisan. NGUYEN et al. [18] menyediakan salutan aloi entropi tinggi AlxFeMnNiCrCu0.5 pada permukaan keluli AISI 1045 dengan teknologi pelapisan laser dan mendapati unsur Al boleh menggalakkan struktur fasa salutan dari fasa FCC ke fasa BCC, dan kekerasan salutan meningkat dengan peningkatan Al kandungan unsur. LIU et al. [19] menyediakan salutan aloi entropi tinggi AlCoCrFeNiSix pada permukaan keluli tahan karat AISI 304 oleh pelapisan laser. Dengan peningkatan kandungan unsur Si, struktur salutan secara beransur-ansur menjadi lebih halus, kekerasan juga meningkat, pekali geseran purata salutan secara beransur-ansur berkurangan, dan salutan mempunyai struktur fasa BCC tunggal.

Untuk meningkatkan kekerasan dan rintangan kakisan keluli marin untuk menghadapi persekitaran kakisan kompleks zon percikan lautan, makalah ini menambah baik sifat komprehensif aloi entropi tinggi yang sangat baik dengan menggunakan elemen Si untuk menyediakan salutan aloi entropi tinggi dengan rintangan kakisan yang sangat baik. dan sifat mekanikal. Kesan unsur Si pada struktur mikro, kekerasan mikro dan rintangan kakisan pelapisan laser salutan aloi entropi tinggi telah dikaji, dan penambahan elemen Si optimum dan mekanisme tindakan telah diterokai untuk meningkatkan lagi prestasi keluli marin dan memanjangkan hayat perkhidmatannya, dan untuk membuka idea baharu untuk perlindungan kakisan marin.

1 Eksperimen

1.1 Penyediaan sampel

Keluli struktur kejuruteraan marin berkekuatan tinggi DH36 telah dipilih sebagai substrat, dengan saiz 100 mm × 120 mm × 10 mm. Sebelum pelapisan, permukaan digilap licin dengan kertas pasir untuk mengeluarkan lapisan minyak dan oksida, dan dibersihkan dengan aseton untuk digunakan. Komposisi kimianya ditunjukkan dalam Jadual 1. Eksperimen menggunakan serbuk Fe, Al, Cr, Ni, dan Si dengan ketulenan 99.99% dan saiz serbuk 50~150 μm sebagai bahan pelapis laser. Jisim serbuk yang diperlukan ditimbang menggunakan neraca ketepatan elektronik, dan FeAlCrNiSix (x=0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0, masing-masing direkodkan sebagai sampel Si0, Si0.25, Si0.5, Si0.75, Si1.0) serbuk yang disediakan mengikut nisbah molar dimasukkan ke dalam kilang bebola planet untuk dicampur. Kelajuan kilang bola ialah 200 r/min dan masa mencampurkan ialah 8 jam. Serbuk campuran diletakkan di dalam ketuhar pengeringan selama 2 jam dan kemudian disalut rata pada permukaan substrat. Bahan salutan ialah gam polivinil alkohol dengan ketebalan salutan 1.25 mm.

Eksperimen yang digunakan peralatan pelapisan laser dipasang oleh Institut Penyelidikan Teknologi Industri Pisau dan Gunting Perkakasan Yangjiang, termasuk robot ABB-IRC5Single, laser nLIGHT, penyejuk air laser Tongfei, Kepala pelapisan laser HAIRUI, meja kerja, dsb. Mengikut keputusan eksperimen sebelumnya, parameter proses eksperimen ini ditetapkan seperti berikut: kuasa laser 1500 W, kelajuan pengimbasan 6 mm/s, ketebalan serbuk 1.25 mm, dan argon gas pelindung dengan ketulenan 99.99%.

Rajah 1 menunjukkan morfologi makroskopik lapisan pelapis aloi entropi tinggi FeAlCrNiSix dengan penambahan unsur Si berbeza yang disediakan di bawah parameter proses optimum. Semasa proses pelapisan laser, Si mempunyai takat lebur yang rendah, yang menjadikan kolam lebur kekal panas untuk masa yang lebih lama di bawah keadaan yang sama, mengakibatkan peningkatan kecairan kolam lebur, saiz tidak sekata dan riak permukaan kasar. Memandangkan Si mempunyai sifat membuat sanga yang baik, kekotoran dilepaskan di tepi semasa proses penyejukan, mengakibatkan bintik-bintik bulat dan lubang pada kedua-dua belah lapisan pelapisan.

1.2 Kaedah analisis dan pencirian

Dalam eksperimen ini, RigakuSmartLab SEX X-ray diffractometer (XRD) Jepun digunakan untuk menganalisis komposisi fasa lapisan pelapisan aloi entropi tinggi; mikroskop optik (OM) AXio Imager A2M digunakan untuk memerhati morfologi antara muka lapisan pelapisan; mikroskop elektron pengimbasan ZEISS EVO 18 digunakan untuk memerhati dan menganalisis morfologi mikroskopik lapisan pelapisan, dan EDS digunakan untuk mengesan kandungan unsur lapisan pelapisan; penguji microhardness HV-1000 digunakan untuk mengukur kekerasan lapisan pelapisan, saiz beban ialah 100g, masa pemuatan ialah 15 s, dan satu titik diuji setiap 0.2 mm dari lapisan pelapisan ke substrat, dan setiap titik adalah diuji dua kali untuk mengambil nilai purata; lengkung polarisasi lapisan pelapisan telah diuji oleh stesen kerja elektrokimia Chenhua CHI660E, menggunakan sistem tiga elektrod, lapisan pelapisan adalah elektrod kerja, elektrod rujukan adalah elektrod calomel tepu, elektrod tambahan adalah elektrod Pt, yang menghakis medium ialah larutan NaCl 3.5%, dan suhu ialah (30±2) ℃. Rintangan kakisan lapisan pelapisan dicirikan dengan menganalisis parameter elektrokimia lapisan pelapisan.

2 Hasil analisis

2.1 Analisis fasa lapisan pelapisan

Rajah 2(a) menunjukkan spektrum XRD bagi lapisan pelapisan aloi entropi tinggi FeAlCrNiSix. Seperti yang dapat dilihat daripada Rajah 2(a), struktur fasa lapisan pelapisan aloi entropi tinggi terdiri daripada fasa BCC dan fasa FCC. Sebabnya ialah entropi pencampuran aloi entropi tinggi adalah besar, yang membawa kepada pengurangan tenaga bebas Gibbs, dan penambahan unsur Si meningkatkan lagi entropi pencampuran aloi entropi tinggi, menjadikannya lebih mudah untuk lapisan pelapisan untuk menghasilkan struktur fasa mudah. Nilai entropi yang besar menjadikan fasa aloi entropi tinggi lebih stabil, yang boleh mengelakkan pemisahan fasa ke tahap yang paling besar untuk menghasilkan sebatian antara logam. Dengan peningkatan penambahan unsur Si, fasa BCC meningkat secara beransur-ansur, fasa FCC secara beransur-ansur berkurangan dan akhirnya berubah sepenuhnya menjadi fasa BCC. Ini terutamanya kerana elemen Si ialah penganjur fasa BCC dan boleh menggalakkan transformasi fasa FCC ke fasa BCC[20].

Rajah 2(b) menunjukkan pandangan yang diperbesarkan separa bagi spektrum XRD lapisan pelapisan. Seperti yang dapat dilihat dari Rajah 2(b), dengan peningkatan penambahan unsur Si, puncak pembelauan fasa BCC secara beransur-ansur beralih ke kanan, dan pemalar kekisi berkurangan secara beransur-ansur. Analisis menunjukkan bahawa jejari atom unsur Si adalah kecil, yang menggantikan atom lain dalam larutan pepejal, menyebabkan pengecutan kekisi dan herotan kekisi.

2.2 Analisis struktur mikro lapisan pelapisan

Rajah 3 dan 4 menunjukkan foto mikroskop optik dan imej SEM struktur mikro bagi lapisan pelapisan aloi entropi tinggi FeAlCrNiSix, dan Jadual 2 menunjukkan keputusan analisis EDS bagi kedudukan berbeza lapisan pelapisan. Ia boleh dilihat daripada rajah bahawa apabila unsur Si tidak ditambah, struktur lapisan pelapisan adalah campuran kristal selular dan dendrit, terutamanya dendrit kasar, dendrit sekunder halus diedarkan pada kedua-dua belah, dan kristal selular diedarkan dalam jurang antara dendrit. Ini kerana kadar nukleasi dalam lapisan pelapisan tanpa menambah unsur Si adalah agak rendah, dan kesan penyebaran histeresis aloi entropi tinggi juga mempunyai pengaruh tertentu pada proses pemisahan fasa, yang mengurangkan kecekapan resapan atom dalam lapisan pelapisan, supaya bijirin mempunyai masa dan ruang yang cukup untuk membesar. Apabila jumlah Si ditambah bertambah, dendrit lapisan pelapisan berubah menjadi hablur equiaxed kasar. Ini disebabkan terutamanya oleh keterlarutan Si dan unsur logam lain yang lemah. Semasa proses penghabluran, Si diperkaya pada sempadan bijian, yang menghalang pertumbuhan bijirin. Apabila jumlah Si ditambah terus meningkat, bilangan kristal equiaxed bertambah lagi dan saiznya berkurangan secara beransur-ansur. Unsur Si yang berlebihan dilarutkan di dalam bijirin, yang meningkatkan kandungan Si di dalam bijirin. Sesetengah bijirin juga akan tumbuh dengan Si sebagai teras penghabluran, menjadikan bijirin lebih kecil dan bentuk tidak sekata. Apabila x=1.0, disebabkan oleh takat lebur Si yang agak rendah, di bawah keadaan input tenaga yang sama, haba berlebihan memainkan peranan tertentu dalam pemeliharaan haba[21], menjadikan saiz butiran lebih kasar daripada apabila x=0.75.

Daripada keputusan analisis EDS, dapat dilihat bahawa apabila x=0, komposisi unsur pada sempadan butiran tidak jauh berbeza daripada pada sempadan butiran, dan unsur Fe dalam substrat beralih ke lapisan pelapisan, menjadikan Fe kandungan unsur dalam lapisan pelapisan lebih tinggi. Apabila x=0.25, unsur Si lebih diperkaya pada sempadan butiran dan lebih rendah dalam sempadan butiran. Apabila jumlah unsur Si ditambah terus meningkat, lebihan Si ditolak ke antara muka pepejal-cecair semasa penghabluran dan akhirnya diperkaya pada sempadan butiran. Digabungkan dengan analisis data XRD, apabila x=0, kandungan unsur Cr pada sempadan butiran adalah lebih tinggi daripada dalam sempadan butiran, dan kandungan unsur yang tinggal pada kedudukan berbeza tidak jauh berbeza. Komposisi fasa ialah fasa FCC+BCC, fasa BCC ialah fasa Fe-Cr, yang kebanyakannya wujud pada sempadan butiran, dan sempadan butiran terutamanya fasa FCC. Penambahan elemen Si menggalakkan transformasi fasa FCC kepada fasa BCC, dan akhirnya hanya fasa BCC wujud dalam lapisan pelapisan.

2.3 Analisis kekerasan mikro lapisan pelapisan

Rajah 5(a) menunjukkan lengkung taburan kekerasan mikro lapisan pelapisan aloi entropi tinggi dengan penambahan unsur Si yang berbeza. Seperti yang dapat dilihat dari Rajah 5(a), kekerasan mikro dari kawasan lapisan pelapisan, zon terjejas haba ke kawasan substrat menunjukkan taburan seperti langkah, iaitu kawasan lapisan pelapisan > zon terjejas haba > kawasan substrat, dan mempunyai ciri serantau yang jelas. Kekerasan mikro kawasan lapisan pelapisan adalah jauh lebih tinggi daripada kawasan substrat. Kekerasan paling tinggi di tengah-tengah lapisan pelapisan, dan kekerasannya lebih rendah sedikit berhampiran permukaan. Ini kerana unsur Si mempunyai sifat membentuk sanga yang baik. Semasa proses pelapisan, kekotoran terapung dan berkumpul di permukaan lapisan pelapis, dan kadar pelesapan haba lapisan pelapis lebih cepat, supaya kekotoran tidak dibuang dalam masa dan memejal, mengakibatkan penurunan kekerasan permukaan lapisan pelapisan. Tindakan laser juga boleh menyebabkan unsur aloi permukaan terbakar, dengan itu mengurangkan kekerasan permukaan [22].

Rajah 5(b) menunjukkan purata kekerasan lapisan pelapisan aloi entropi tinggi dengan jumlah penambahan unsur Si yang berbeza. Dengan peningkatan jumlah penambahan unsur Si, kekerasan purata lapisan pelapisan mula-mula meningkat dan kemudian berkurangan. Nilai kekerasan tertinggi bagi lapisan pelapisan Si0.75 ialah 430.15HV0.1. Sebab untuk analisis ialah saiz butiran berkurangan dengan peningkatan jumlah penambahan unsur Si, yang menjadikan kekerasan lapisan pelapisan meningkat dengan sewajarnya. Kesan pengukuhan larutan pepejal herotan kekisi yang disebabkan oleh penambahan unsur Si dan kesan pengukuhan sempadan butiran yang disebabkan oleh pengayaan unsur Si pada sempadan butiran juga merupakan sebab peningkatan kekerasan lapisan pelapisan [23]. Walau bagaimanapun, dengan penambahan jumlah tambahan unsur Si, saiz butiran menjadi lebih besar dan kekerasan berkurangan.

2.4 Analisis rintangan kakisan lapisan pelapisan

Rajah 6 menunjukkan lengkung polarisasi lapisan pelapisan dengan jumlah penambahan unsur Si yang berbeza dalam larutan 3.5% (pecahan jisim) yang diukur dengan teknologi elektrokimia. Jadual 3 menunjukkan parameter pemasangan lengkung polarisasi lapisan pelapisan dengan jumlah penambahan unsur Si berbeza yang diukur dalam larutan 3.5%.

Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6 dan Jadual 3, potensi kakisan diri φcorr (φcorr, Si0.75＜φcorr, Si1.0＜ φcorr, Si0＜φcorr, Si0.5＜φcorr, Si0.25) bagi pelapisan aloi entropi tinggi lapisan dengan kandungan Si yang berbeza menunjukkan darjah pergerakan positif dan negatif yang berbeza, kecenderungan kakisan mula-mula menurun dan kemudian meningkat, potensi kakisan diri salutan Si0.75 adalah yang paling rendah dan kecenderungan kakisan adalah yang paling kecil; ketumpatan arus kakisan sendiri Jcorr
(Jcorr, Si1.0＜Jcorr, Si0＜Jcorr, Si0.25＜Jcorr, Si0.75Jcorr, Si0.5) mula-mula menurun dan kemudian meningkat, dan kadar kakisan mula-mula menurun dan kemudian meningkat.

Dalam lengkung polarisasi, terdapat peralihan pengaktifan-pasif yang jelas. Ketumpatan semasa dalam julat pempasifan tidak meningkat dengan peningkatan potensi, dan prestasinya agak stabil. Pada masa ini, kadar penjanaan filem pempasifan adalah lebih besar daripada kadar pembubaran, membentuk filem pempasifan padat, yang menghalang proses pembubaran anod pada permukaan lapisan pelapisan. Apabila voltan yang digunakan terus meningkat, filem pempasifan dipecahkan oleh Cl−, dan ketumpatan arus terus meningkat. Potensi kakisan sendiri bagi lapisan pelapis Si0.25 dan Si0.75 adalah lebih tinggi daripada lapisan pelapis tanpa unsur Si ditambah, dan rintangan kakisan dipertingkatkan. Berbanding dengan Si0.75, Si0.25 mempunyai potensi kakisan diri yang lebih rendah dan ketumpatan arus pempasifan yang serupa, tetapi ketumpatan arus kakisan diri yang lebih kecil dan kawasan pempasifan yang lebih besar, dan Si0.25 mempunyai rintangan kakisan yang lebih baik. Seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 3, di bawah keadaan kakisan yang sama, ketumpatan arus kakisan sendiri meningkat dahulu dan kemudian berkurangan. Perbezaan antara ketumpatan arus kakisan sendiri Si0 dan Si0.25 adalah yang paling kecil, dan kadar kakisan tidak jauh berbeza. Walau bagaimanapun, Si0.25 mempunyai potensi kakisan yang lebih tinggi dan julat pempasifan yang lebih besar. Analisis komprehensif keluk polarisasi lapisan pelapisan dan parameter pemasangan lengkung polarisasi menunjukkan bahawa penambahan unsur Si boleh meningkatkan rintangan kakisan lapisan pelapisan secara berkesan, dan lapisan pelapis Si0.25 mempunyai rintangan kakisan terbaik.

Kesimpulan 3

1) Dengan peningkatan penambahan Si, fasa lapisan pelapisan berubah daripada fasa BCC+FCC kepada fasa BCC tunggal. Ini kerana kesan entropi tinggi aloi entropi tinggi menggalakkan pembentukan struktur fasa mudah, dan penambahan unsur Si boleh meningkatkan entropi pencampuran lapisan pelapisan, dan unsur Si juga boleh menggalakkan pembentukan fasa BCC.

2) Penambahan unsur Si dapat memperhalusi butiran lapisan pelapisan dengan berkesan, tetapi Si yang berlebihan akan menjadikan butiran menjadi kasar. Oleh kerana unsur Si diperkaya terutamanya pada sempadan butiran semasa penghabluran, ia menghalang pertumbuhan butiran, dan struktur lapisan pelapisan berubah daripada dendrit kepada kristal sama dengan peningkatan penambahan unsur Si.

3) Dengan penambahan unsur Si, kekerasan lapisan pelapisan bertambah dahulu dan kemudian berkurangan. Kekerasan lapisan pelapisan Si0.75 mencapai nilai tertinggi 430.15HV0.1, terutamanya kerana unsur Si menyebabkan pengukuhan sempadan butiran dan pengukuhan larutan pepejal, manakala unsur Si yang berlebihan menjadikan saiz butiran lebih besar, dan kekerasan lapisan pelapisan menurun dengan sewajarnya.

4) Dengan penambahan unsur Si, potensi kakisan diri lapisan pelapisan mula-mula beralih secara positif dan kemudian negatif, kecenderungan kakisan mula-mula berkurangan dan kemudian meningkat, ketumpatan arus kakisan sendiri mula-mula berkurangan dan kemudian meningkat, kadar kakisan terlebih dahulu. berkurangan dan kemudian meningkat, lebar zon pempasifan lapisan pelapisan meningkat, dan peralihan pengaktifan-pepasifan adalah jelas. Apabila jumlah penambahan unsur Si ialah 0.25 mol, rintangan kakisan lapisan pelapisan adalah yang terbaik.