Den kryssortogonale stablingsmetoden ble brukt til å utføre flerlags og multipass lasertrådkledning på en 20 mm tykk Q345B lavkarbonstålplate, og den makroskopiske morfologien, mikrostrukturen, fasesammensetningen, mikrohardheten og korrosjonsmotstanden til kledningslaget ble studert. Resultatene viser at kledningslaget oppnådd ved flerlags- og multi-pass lasertrådfyllingsprosessen har god makroskopisk formasjon og ingen åpenbare defekter som porer og sprekker; kledningslaget består hovedsakelig av kledningssone, overlappingssone, faseendring påvirket sone, fusjonssone og varmepåvirket sone; hovedmaterialstrukturen er hovedsakelig ferritt og perlitt, og kledningslagets mikrostruktur er hovedsakelig ferritt, widmanstatten og martensitt; på grunn av påvirkning av mikrostruktur og kornstørrelse, er hardheten til kledningslaget totalt trinnvis, og den gjennomsnittlige hardheten til kledningslaget er 320.13 HV, som er høyere enn for grunnmaterialet; i 3.5 % NaCl-løsning viser polarisasjonskurven til kledningslaget et passiveringsområde, og korrosjonsmotstanden er bedre enn modermaterialet. Flerlags- og flerpasslasertrådfyllingsprosessen kan oppfylle forberedelseskravene til kledningslag i faktisk prosjektering.
Nøkkelord: Q345B lavkarbonstål; laser wire belegg; kryss ortogonal stabling; mikrostruktur og egenskaper

Med utviklingen av økonomien og samfunnet, fortsetter mitt lands etterspørsel etter marine olje- og gassressurser å øke. Å fokusere på leting og utvikling av marine ressurser er et praktisk behov for utviklingen av mitt lands petroleumsindustri [1-2]. På grunn av det komplekse servicemiljøet til marintekniske strukturer, er de mer utsatt for skade enn tradisjonelle strukturer. Derfor har det daglige vedlikeholdet av marinteknisk utstyr blitt et nøkkelproblem som må løses snarest [3]. Q345B stål er et lavlegert høyfast stål med gode omfattende egenskaper og utmerket sveisbarhet. Det er mye brukt i marineteknikk og brokonstruksjon [4].

Som en avansert beskyttelses- og reparasjonsbeleggteknologi gir laserkledning en effektiv formingsprosess for nesten nettform for høypresisjonsreparasjon av nøkkeldeler og klargjøring av belegg med avanserte materialegenskaper [5]. Under flerlags- og multi-pass kledningsprosessen overlapper de varmepåvirkede sonene til tilstøtende sveiser, og danner områder som har gjennomgått to eller flere termiske sykluser. Mikrostrukturen i disse områdene er spesielt kompleks [6], og mikrostrukturens sammensetningsfase, rekrystalliseringshastighet, bunnfallskala og inklusjonsmorfologi endres kontinuerlig gjennom hele prosessen [7]. Derfor, under flerlags- og multi-pass kledningsprosessen, er det ofte svake punkter i kledningsområdet, som er utsatt for svikt under bruk. For eksempel er elektrolytisk korrosjon og spenningskorrosjon ofte observert nær de sveisede skjøtene til trykkbeholdere under bruk [8].

Wu et al. [9] brukt laserkledningsteknologi å forberede et sammenhengende og tett Mo2NiB2 kledningslag på et stålunderlag. Belegget har høy hardhet, god slitestyrke og korrosjonsmotstand, forbedrer ytelsen til underlaget og sikrer sikker og stabil service av marineteknisk utstyr. Li et al. [10] brukte lasertrådkledning for å reparere de korroderte delene av 316L rustfritt ståloverflate og oppnådde et flerlags flerpassasjekledningslag av 308L rustfritt stål. Belegget er hovedsakelig sammensatt av austenitt og en liten mengde ferritt, med en strekkstyrke og forlengelse på henholdsvis 548MPa og 40 %, som er ca. 86 % og 74 % av underlaget.

I denne utredningen, laser wire kledning teknologi brukes til å klargjøre Q345B laserkledningslag ved kryss ortogonal stabling. Den makroskopiske morfologien, mikrostrukturen, fasesammensetningen, mikrohardheten og korrosjonsmotstanden til flerlags multi-pass kledningssjiktet studeres, noe som gir grunnlag for reparasjon på stedet av marintekniske strukturer.

1 Eksperiment for kledning med lasertråd

1.1 Eksperimentelt materiale

Det eksperimentelle substratmaterialet er Q345B karbonstål, og trådkledningsmaterialet er AFEW6-86 legert ståltråd med en diameter på 1.2 mm. Den kjemiske sammensetningen av de to er vist i tabell 1.

1.2 Flerlags og multipass lasertrådbekledningsprosess
I faktiske ingeniørapplikasjoner vil arbeidsstykket bli påvirket av krefter i forskjellige retninger under drift, så påvirkningen av anisotropi må vurderes. For å redusere påvirkningen av anisotropi, planlegges banen til kledningslaget, additivretningen til sveisene i samme lag er konsistent, retningene til sveisene i tilstøtende stablelag er vinkelrett på hverandre, og lagene er ortogonal. Dens kryssortogonale stablebane er vist i figur 1.

Under kledningsforsøket er dekkgassen ren argongass med en gassrenhet på 99.99 %. Først ble det utført et ortogonalt eksperiment ved bruk av en enkeltlags enkelt-pass kledningsmetode for å utforske de optimale prosessparametrene for single-pass kledning; Deretter ble det brukt en flerlags enkelt-pass stablingsmetode for å studere innflytelsen av løftehøyden mellom sjiktene på sveiseformingskvaliteten, og det ble oppnådd en flerlags enkeltpasssveis med rett kledningslag og god formingseffekt. På bakgrunn av ovenstående ble påvirkningen av ulike overlappingshastigheter på formingskvaliteten til kledningslaget studert, og det ble funnet at når overlappingsgraden var 40 %, var høyden mellom hver passering av kledningslaget relativt jevn, overflateformasjonen var relativt flat, og den metallurgiske bindingen mellom hver passasje var den sterkeste. Løftehøyden mellom forsøkslagene er 0.8 mm for hvert av de to første lagene og 0.7 mm for hvert av de etterfølgende lagene. De spesifikke eksperimentelle parameterne er vist i tabell 2.

1.3 Analyse og testmetode av kledningslag
Trådskjæring ble brukt til å kutte metallografiske prøver fra det forberedte flerlags- og multipass-kledningslaget. Prøveoverflaten ble slipt etter å ha blitt innstøpt med epoksyharpiks ved romtemperatur. Sandpapir med ulik ruhet ble brukt til å polere inntil det ikke var igjen riper. Deretter ble prøven polert med en poleringsmaskin for å oppnå et metallografisk prøvetverrsnitt med speileffekt. Prøven ble korrodert med 4 % salpetersyrealkoholløsning for å etse ut den synlige kledningslagsgrenseflaten, skylt med alkohol og blåst tørr, og mikrostrukturen til prøven ble observert med et metallografisk mikroskop; fasesammensetningen og utviklingen av kledningslaget ble skannet og analysert i området 30°~100° ved bruk av røntgendiffraksjonsteknologi; den kjemiske elementanalysen av kledningslaget ble utført ved bruk av et energispektrometer; mikrohardheten til forskjellige områder av kledningslagets tverrsnitt ble testet med en HVS-1000Z Vickers hardhetstester; polarisasjonskurvene og impedansspektrene til kledningslaget og modermaterialet ble testet i en 3.5 % NaCl-løsning ved bruk av en VersaSTAT 3F elektrokjemisk arbeidsstasjon med en mettet kalomelelektrode som referanseelektrode og en platinaelektrode som hjelpeelektrode, og deres korrosjonsmotstand. ble sammenlignet og analysert.

2 Eksperimentelle resultater og analyse
2.1 Makromorfologianalyse av kledningslag
Det lasertrådfylte kledningslaget ble forberedt ved et kryssortogonalt stablingseksperiment på 29 (lengde) × 15 (bredde) × 12 lag (høyde). Kledningssjiktet har god formende effekt, en jevn overflate, ingen makrofeil som sprekker og usammensmeltet, og åpenbar vertikal høyde. Den makroskopiske morfologien til kledningslaget er vist i figur 2. Under flerlags multi-pass lasertrådbekledningsforsøket vil kledningsprosessen til sistnevnte lag gi en omsmeltingsreaksjon på det forrige kledningslaget, noe som resulterer i en nedadgående strømning kl. kanten av kledningslaget. Samtidig, under kledningsprosessen, på grunn av en viss forsinkelse i start- og sluttinstruksjonene for laserlysutgangen, vil høyden på kanten av kledningslaget være litt lavere enn midtdelen.

Figur 3 viser tverrsnittsmorfologien til flerlags flerpasslaserbekledningslaget. Ingen defekter som porer, sprekker og inneslutninger ble funnet. En tett metallurgisk binding ble dannet mellom kledningsmetallet og grunnmaterialet. Det var tydelig vertikal høyde, og tykkelsen på kledningslaget var 11.5 mm.

2.2 Mikrostrukturanalyse av kledningslag
Avkjølingen av sveisebassenget er en faseendringsprosess, og mikrostrukturen til faseendringen avhenger av sveisemetallets kjemiske sammensetning og kjøleforhold [11]. Mikrostrukturen til hvert område av kledningslaget ble observert ved hjelp av et metallografisk mikroskop, som vist i figur 4. Kledningssjiktet inkluderer kledningssonen (kledd sone, CZ), overliggende sone (overlappet sone, OZ), fasen overgangsberørt sone (faseovergang påvirket sone, PAZ), fusjonssonen (fusjonssone, FZ), den varmepåvirkede sonen (varmepåvirket sone, HAZ) og basismetallet (uedle metall, BM) [12]. Basismetallets mikrostruktur består hovedsakelig av ferritt og en liten mengde perlitt. Hovedelementet Mn tilsatt Q345B stål har ikke bare en betydelig styrkende effekt på ferritt, men reduserer også overgangstemperaturen mellom seighet og sprøhet, øker mengden perlitt og forbedrer styrken til perlitt.

Figur 4 (a) viser mikrostrukturen til kledningsområdet inne i kledningslaget, som er sammensatt av lekt og nåleformet ferritt, widmanstatten og en liten mengde lekt martensitt. På grunn av de forskjellige lagene vil hvert kledningslag produsere en tempererende effekt på det forrige laget, noe som resulterer i jevn kornforfining og klare korngrenser; Figur 4 (b) og (b-1) viser mikrostrukturen til fusjonsområdet, som er sammensatt av ferritt og widmanstatten med ujevn kornfordeling; Figur 4 (d) viser mikrostrukturen til overlappingsområdet til to sveiser inne i kledningslaget. Det lyse området i figuren er fusjonslinjen mellom de to sveisene. Under kjøleprosessen vil det smeltede bassenget danne søyleformet ferritt langs varmespredningsretningen. Derfor er dette området hovedsakelig sammensatt av søyleformet ferritt og en liten mengde perlitt, som vist i figur 4 (d-1). På grunn av den doble termiske virkningen har overlappingsområdet jevn kornforfining; Figur Figur 4 (d-2) er det fasetransformasjonspåvirkede området, som hovedsakelig består av ferritt og Widmanstatten. På grunn av påvirkningen av fasetransformasjonsvarme er kornstørrelsen til dette området litt større enn overlappingsområdet; Figur 4 (e-1) er mikrostrukturen til den varmepåvirkede sonen. Under sveiseprosessen gjennomgår det nedre kledningsområdet herding, noe som gjør strukturen til dette området raffinert og kornfordelingen jevn. Den er hovedsakelig sammensatt av finkornet ferritt og en liten mengde perlitt. Finkornet ferritt er et transformasjonsprodukt mellom ferritt og bainitt. Det er en gunstig mikrostruktur i den metallurgiske sveiseprosessen [11].

Figur 5 er mikrostrukturen til det siste kledningslaget. Dette laget utsettes ikke for sekundær laseroppvarming. Sammenlignet med andre lag kan den opprettholde den opprinnelige strukturmorfologien. Kornstørrelsen er jevn og strukturen er tett. Den er hovedsakelig sammensatt av ferritt, Widmanstatten og laftemartensitt.

2.3 XRD og EDS analyse av kledningslag
For å analysere fasesammensetningen til laserkledningssjiktet ble en prøve med en størrelse på 10 mm×10 mm×8 mm kuttet ved trådskjæring, og røntgendiffraksjonstestanalyse ble utført etter sliping og polering. Figur 6 viser XRD-spekteret av flerlags multi-pass laserbekledningslag og grunnmateriale. Ved å kombinere mikrostruktur- og XRD-spektrumresultatene kan man se at kledningslaget hovedsakelig består av en stor mengde ferritt, en del av martensitt og widmanstattenitt, og ingen andre skadelige faser vises. Siden søyleformet ferritt vil bli dannet i kjøleprosessen av laserkledning av smeltet basseng, inneholder kledningslaget en stor mengde ferritt. Når varmetilførselen til laseren er stor under sveiseprosessen, vil mikrostrukturen til kledningslaget til en viss grad grovere, og kornstørrelsen vil øke. På dette tidspunktet vil strukturen virke overopphetet widmanstattenitt og lath martensite, og de to strukturene er forskjøvet.

Den kjemiske sammensetningen ble analysert ved punktskanning ved forskjellige posisjoner av prøvetverrsnittet. Punktskanneposisjonene er vist i figur 7, og EDS-analyseresultatene for ulike områder er vist i tabell 3. På grunn av det høye innholdet av Cr- og Ni-elementer i sveisetråden er Cr- og Ni-innholdet i kledningslaget betydelig høyere enn for grunnmaterialet, noe som gjør korrosjonsmotstanden til kledningslaget bedre enn for grunnmaterialet.

2.4 Mikrohardhetsanalyse av kledningslag
Mikrohardheten til prøven ble målt. Under testen var belastningen 1000 g, holdetiden var 10 s, målebanen var langs retningen fra grunnmaterialet til kledningsområdet, og intervallet mellom to tilstøtende prøvetakingspunkter var 1 mm. Mikrohardhetsfordelingen fra grunnmaterialet til kledningsområdet er vist i figur 8. Gjennomsnittlig mikrohardhet til grunnmaterialet er 172.02 HV, og gjennomsnittlig mikrohardhet til kledningslaget er 320.13 HV. Mikrostrukturen til det siste kledningslaget inneholder en stor mengde ferritt, widmanstattenitt og en liten mengde laftemartensitt og perlitt. Hardhetsverdien til dette mikrostrukturområdet er den høyeste, som er 325.92HV. Den gjennomsnittlige hardheten til kledningslaget er mye høyere enn for grunnmaterialet, og oppfyller kravene til reparasjonsstyrke. Som vist i figur 8 er hardheten til kledningsområdet generelt fordelt på en trinnlignende måte. Dette er fordi i prosessen med flerlags- og multi-pass lasertrådfylling, vil hvert kledningslag ha en ettervarmende tempereringseffekt på det forrige laget under dannelsesprosessen, og en forvarmingseffekt på det neste laget. Det siste kledningslaget har en forvarmingseffekt uten ettervarmetempering, noe som fremmer jevn kornforfining og forbedrer hardheten betydelig.

2.5 Analyse av korrosjonsbestandighet av kledningslag
Det meste av metallkorrosjon utføres i form av elektrokjemisk korrosjon, og korrosjonsprosessen er ledsaget av generering av strøm, akkurat som et primærbatteri [13-14]. For å teste den elektrokjemiske korrosjonsytelsen til flerlags- og multi-pass kledningslaget, ble prøven plassert i en 3.5 % NaCl-løsning for å teste Tafel-polarisasjonskurven og impedansspekteret.

Polarisasjonskurvene til kledningslaget og grunnmaterialet er vist i figur 9. Det kan sees at polarisasjonskurven til kledningssjiktet har et passiveringsområde, noe som indikerer at det dannes en tett oksidfilm på overflaten av kledningslaget under korrosjonsprosessen. Elementene som Cr, Ni og Si i oksidfilmen forbedrer passiveringsstabiliteten, hindrer diffusjon av ioner og forbedrer korrosjonsmotstanden. Selvkorrosjonspotensialet Ecorr og selvkorrosjonsstrømtettheten Icorr til kledningssjiktet og grunnmaterialet oppnås ved datatilpasning, som vist i tabell 4. Selvkorrosjonspotensialet Ecorr til et metall i en elektrolyttløsning gjenspeiler dets følsomhet overfor korrosjon og er en indikator på materialets motstand mot elektrokjemisk korrosjon. Jo mindre selvkorrosjonspotensialet er, jo lettere er det for metallet å miste elektroner og jo svakere er dets korrosjonsmotstand; jo større selvkorrosjonspotensialet er, desto vanskeligere er det for metallet å miste elektroner og desto sterkere er dets korrosjonsmotstand[14]. Som det fremgår av tabell 4, er selvkorrosjonspotensialet til kledningslaget høyere enn basismaterialet, noe som indikerer at kledningslaget har sterk korrosjonsbestandighet. Selvkorrosjonsstrømtettheten Icorr er proporsjonal med korrosjonshastigheten. Jo større korrosjonsstrøm, desto raskere er korrosjonshastigheten til materialet og jo dårligere korrosjonsmotstand. Som det fremgår av dataene i tabell 4, er selvkorrosjonsstrømmen til grunnmaterialet høyere enn for kledningslaget, noe som indikerer at grunnmaterialets korrosjonsmotstand er dårlig. Ved å sammenligne størrelsen på selvkorrosjonspotensialet og selvkorrosjonsstrømmen kan man derfor konkludere med at korrosjonsmotstanden til kledningslaget er bedre enn grunnmaterialet.

Kledningssjiktet og grunnmaterialet ble testet ved impedansspektroskopi (EIS), og impedansspekteret Nyquist-plottene til de to prøvene er vist i figur 10. Z' og Z" er henholdsvis de reelle og imaginære delene av den målte impedansen Z. . Både kledningslaget og grunnmaterialet har en enkelt kapasitiv buekarakteristikk. Jo større den kapasitive bueradiusen er, jo større er den totale impedansen til prøven og desto sterkere korrosjonsmotstand. Som vist i figur 10 er den kapasitive bueradiusen til kledningslaget betydelig større enn basismaterialets. Derfor er polarisasjonsmotstanden til kledningslaget større, noe som indikerer at korrosjonshastigheten til kledningslaget er lavere og korrosjonsmotstanden er sterkere, noe som stemmer overens med resultatene av den dynamiske potensielle polarisasjonskurven.

Oppsummert er korrosjonsmotstanden til kledningslaget bedre enn grunnmaterialets. For det første bruker kledningsmaterialet AFEW6-86 sveisetråd, som har høyere Cr- og Ni-innhold enn grunnmaterialet, slik at kledningslaget har høyere oksidasjonsmotstand og korrosjonsmotstand. I et korrosivt miljø, når Cr reagerer med O-elementer, vil det dannes et lag med korrosjonsbestandig oksidfilm på overflaten, som vil skille metalloverflaten fra det korrosive mediet, redusere oppløsningsprosessen til anoden og redusere oppløsningen hastigheten til kledningsmetallet, og forbedrer dermed korrosjonsmotstanden til kledningslaget. Korrosjonsmotstanden er forbedret[15-16]. Den andre grunnen er at kornstørrelsesfordelingen i kledningslaget er mer jevn på grunn av økningen i varmetilførselen.

3 Konklusjon
(1) Kledningssjiktet oppnådd ved flerlags og multipass lasertrådsveiseprosess har god makroskopisk dannelse, ingen åpenbare defekter som porer og sprekker, og det dannes en god metallurgisk binding mellom kledningslaget og modermaterialet. Det er en betydelig vertikal pæling, og tykkelsen på kledningslaget er 11.5 mm.
(2) Kledningssjiktet består hovedsakelig av ferritt, widmanstatten og laftemartensitt. Cr- og Ni-innholdet i kledningslaget er høyere enn i grunnmaterialet. Cr- og Ni-elementer forbedrer stabiliteten til passiveringsfilmen, hindrer diffusjon av ioner og forbedrer oksidasjonsmotstanden og korrosjonsmotstanden til kledningslaget. I tillegg, på grunn av økningen i varmetilførselen, er kornstørrelsesfordelingen i kledningslaget mer jevn, slik at korrosjonsmotstanden til kledningslaget er bedre enn for grunnmaterialet.
(3) Den gjennomsnittlige hardheten til grunnmaterialet er 172.02HV, og den gjennomsnittlige hardheten til kledningslaget er 320.13HV, hardheten til kledningslaget er mye høyere enn det til hovedmaterialet. På grunn av påvirkning av mikrostruktur og kornstørrelse viser hardheten til kledningsområdet en trinnlignende distribusjonstrend som helhet.