Do wykonania wielowarstwowego i wieloprzebiegowego procesu zastosowano metodę krzyżowego układania ortogonalnego nakładanie drutu laserowego na płycie ze stali niskowęglowej Q20B o grubości 345 mm, a także zbadano makroskopową morfologię, mikrostrukturę, skład fazowy, mikrotwardość i odporność na korozję warstwy okładzinowej. Wyniki pokazują, że warstwa okładzinowa uzyskana w procesie wielowarstwowego i wieloprzebiegowego wypełniania drutem laserowym ma dobrą makroskopową formację i nie ma widocznych defektów, takich jak pory i pęknięcia; warstwa okładzinowa składa się głównie z strefa okładzinowa, strefa nakładania się, strefa wpływu zmiany fazy, strefa fuzji i strefa wpływu ciepła; struktura materiału macierzystego to głównie ferryt i perlit, a mikrostruktura warstwy płaszcza to głównie ferryt, widmanstatten i martenzyt; ze względu na wpływ mikrostruktury i wielkości ziarna twardość warstwy płaszcza jest ogólnie stopniowana, a średnia twardość warstwy płaszcza wynosi 320.13 HV, co jest wartością wyższą niż twardość materiału macierzystego; w roztworze NaCl 3.5% krzywa polaryzacji warstwy płaszcza pokazuje obszar pasywacji, a jej odporność na korozję jest lepsza niż materiału macierzystego. Wielowarstwowy i wieloprzejściowy proces napawania drutem laserowym może spełniać wymagania dotyczące przygotowania warstw płaszcza w rzeczywistej inżynierii.
Słowa kluczowe: stal niskowęglowa Q345B; napawanie laserowe drutem; układanie krzyżowo ortogonalne; mikrostruktura i właściwości

Wraz z rozwojem gospodarki i społeczeństwa, zapotrzebowanie mojego kraju na morskie zasoby ropy naftowej i gazu stale rośnie. Skupienie się na eksploracji i rozwoju zasobów morskich jest praktyczną potrzebą rozwoju przemysłu naftowego mojego kraju [1-2]. Ze względu na złożone środowisko serwisowe konstrukcji inżynierii morskiej, są one bardziej podatne na uszkodzenia niż tradycyjne konstrukcje. Dlatego codzienna konserwacja sprzętu inżynierii morskiej stała się kluczową kwestią, którą należy pilnie rozwiązać [3]. Stal Q345B to niskostopowa stal o wysokiej wytrzymałości o dobrych kompleksowych właściwościach i doskonałej spawalności. Jest szeroko stosowana w inżynierii morskiej i budowie mostów [4].

Jako zaawansowana technologia powłok ochronnych i naprawczych, nakładanie laserowe zapewnia wydajny proces formowania kształtu zbliżonego do kształtu netto w celu wysoce precyzyjnej naprawy kluczowych części i przygotowania powłok o zaawansowanych właściwościach materiałowych [5]. Podczas procesu nanoszenia wielowarstwowego i wieloprzebiegowego strefy wpływu ciepła sąsiadujących spoin zachodzą na siebie, tworząc obszary, które przeszły dwa lub więcej cykli termicznych. Mikrostruktura tych obszarów jest szczególnie złożona [6], a faza składu mikrostruktury, szybkość rekrystalizacji, osadzanie się kamienia i morfologia wtrąceń zmieniają się nieustannie w trakcie całego procesu [7]. Dlatego podczas procesu nanoszenia wielowarstwowego i wieloprzebiegowego często występują słabe punkty w obszarze nanoszenia, które są podatne na awarie podczas użytkowania. Na przykład korozję elektrolityczną i korozję naprężeniową często obserwuje się w pobliżu spoin zbiorników ciśnieniowych podczas użytkowania [8].

Wu i in. [9] użyli technologia napawania laserowego w celu przygotowania ciągłej i gęstej warstwy powłoki Mo2NiB2 na podłożu stalowym. Powłoka ma wysoką twardość, dobrą odporność na zużycie i korozję, poprawia wydajność podłoża i zapewnia bezpieczną i stabilną pracę sprzętu inżynierii morskiej. Li i in. [10] zastosowali nakładanie drutu laserowego w celu naprawy skorodowanych części powierzchni stali nierdzewnej 316L i uzyskali wielowarstwową wieloprzebiegową warstwę powłoki ze stali nierdzewnej 308L. Powłoka składa się głównie z austenitu i niewielkiej ilości ferrytu, o wytrzymałości na rozciąganie i wydłużeniu odpowiednio 548 MPa i 40%, co stanowi około 86% i 74% podłoża.

W tym artykule technologia napawania laserowego drutem jest stosowany do przygotowania warstwy Q345B laserowego platerowania metodą krzyżowego układania ortogonalnego. Badana jest makroskopowa morfologia, mikrostruktura, skład fazowy, mikrotwardość i odporność na korozję wielowarstwowej wieloprzejściowej warstwy platerowania, co stanowi podstawę do naprawy na miejscu konstrukcji inżynierii morskiej.

1 Eksperyment z nakładaniem drutu laserowego

1.1 Materiały eksperymentalne

Materiałem podłoża eksperymentalnego jest stal węglowa Q345B, a materiałem osłony drutu jest drut ze stali stopowej AFEW6-86 o średnicy 1.2 mm. Skład chemiczny obu materiałów przedstawiono w tabeli 1.

1.2 Wielowarstwowy i wieloprzebiegowy proces napawania drutów laserowych
W rzeczywistych zastosowaniach inżynieryjnych obrabiany przedmiot będzie poddawany działaniu sił w różnych kierunkach podczas pracy, dlatego należy wziąć pod uwagę wpływ anizotropii. Aby zmniejszyć wpływ anizotropii, zaplanowano ścieżkę warstwy okładziny, kierunek addytywny spoin w tej samej warstwie jest spójny, kierunki spoin w sąsiednich warstwach układania są prostopadłe do siebie, a warstwy są ortogonalne. Jej krzyżowo-ortogonalna ścieżka układania jest pokazana na rysunku 1.

Podczas eksperymentu napawania gazem osłonowym jest czysty argon o czystości gazu 99.99%. Najpierw przeprowadzono eksperyment ortogonalny przy użyciu metody napawania jednowarstwowego w jednym przejściu, aby zbadać optymalne parametry procesu napawania jednoprzebiegowego; następnie zastosowano metodę układania wielowarstwowego w jednym przejściu, aby zbadać wpływ wysokości podnoszenia między warstwami na jakość formowania spoiny, a uzyskano wielowarstwową spoinę jednoprzebiegową z prostą warstwą napawania i dobrym efektem formowania. Na podstawie powyższego zbadano wpływ różnych współczynników nakładania się na jakość formowania warstwy napawania i stwierdzono, że gdy współczynnik nakładania się wynosił 40%, wysokość między każdym przejściem warstwy napawania była stosunkowo jednolita, formowanie powierzchni było stosunkowo płaskie, a wiązanie metalurgiczne między każdym przejściem było najsilniejsze. Wysokość podnoszenia między warstwami eksperymentalnymi wynosi 0.8 mm dla każdej z pierwszych dwóch warstw i 0.7 mm dla każdej z kolejnych warstw. Szczegółowe parametry eksperymentu przedstawiono w tabeli 2.

1.3 Analiza i metoda badania warstwy okładzinowej
Do wycięcia próbek metalograficznych z przygotowanej wielowarstwowej i wieloprzejściowej warstwy okładziny zastosowano cięcie drutem. Powierzchnię próbki szlifowano po zatopieniu w żywicy epoksydowej w temperaturze pokojowej. Do polerowania używano papieru ściernego o różnej chropowatości, aż do usunięcia zarysowań. Następnie próbkę polerowano maszyną polerującą, aby uzyskać przekrój próbki metalograficznej z efektem lustrzanym. Próbkę skorodowano 4% roztworem alkoholu kwasu azotowego w celu wytrawienia widocznego interfejsu warstwy okładziny, przepłukano alkoholem i wysuszono, a mikrostrukturę próbki obserwowano za pomocą mikroskopu metalograficznego; skład fazowy i ewolucję warstwy okładziny skanowano i analizowano w zakresie 30°~100° przy użyciu technologii dyfrakcji rentgenowskiej; analizę pierwiastków chemicznych warstwy okładziny przeprowadzono za pomocą spektrometru energii; mikrotwardość różnych obszarów przekroju warstwy okładziny badano za pomocą twardościomierza Vickersa HVS-1000Z; krzywe polaryzacji i widma impedancji warstwy płaszcza i materiału macierzystego badano w roztworze 3.5% NaCl, wykorzystując stanowisko elektrochemiczne VersaSTAT 3F z nasyconą elektrodą kalomelową jako elektrodą odniesienia i elektrodą platynową jako elektrodą pomocniczą, a następnie porównano i przeanalizowano ich odporność korozyjną.

2 Wyniki eksperymentów i analizy
2.1 Analiza makromorfologiczna warstwy okładzinowej
Warstwa płaszcza wypełniona drutem laserowym została przygotowana w eksperymencie układania krzyżowo-ortogonalnego 29 (długość) × 15 (szerokość) × 12 warstw (wysokość). Warstwa płaszcza ma dobry efekt formowania, gładką powierzchnię, brak makro defektów, takich jak pęknięcia i niestopione, oraz oczywistą wysokość pionową. Makroskopowa morfologia warstwy płaszcza jest pokazana na rysunku 2. Podczas eksperymentu wielowarstwowego wieloprzebiegowego napawania drutem laserowym proces napawania tej ostatniej warstwy wywoła reakcję przetapiania na poprzedniej warstwie płaszcza, co spowoduje przepływ w dół na krawędzi warstwy płaszcza. Jednocześnie podczas procesu napawania, ze względu na pewne opóźnienie w instrukcjach rozpoczęcia i zakończenia wyjścia światła laserowego, wysokość krawędzi warstwy płaszcza będzie nieznacznie niższa niż część środkowa.

Rysunek 3 przedstawia morfologię przekroju poprzecznego wielowarstwowej wieloprzejściowej warstwy laserowej. Nie stwierdzono żadnych defektów, takich jak pory, pęknięcia i wtrącenia. Pomiędzy metalem powłoki a materiałem bazowym utworzyło się gęste wiązanie metalurgiczne. Wyraźna była wysokość pionowa, a grubość warstwy powłoki wynosiła 11.5 mm.

2.2 Analiza mikrostruktury warstwy okładzinowej
Chłodzenie jeziorka spawalniczego jest procesem przemiany fazowej, a mikrostruktura przemiany fazowej zależy od składu chemicznego i warunków chłodzenia metalu spoiny [11]. Mikrostrukturę każdego obszaru warstwy platerowanej obserwowano za pomocą mikroskopu metalograficznego, jak pokazano na rysunku 4. Warstwa platerowana obejmuje strefę platerowania (strefa platerowana, CZ), strefę nałożenia (strefa ovalapped, OZ), strefę wpływu przemiany fazowej (strefa wpływu przemiany fazowej, PAZ), strefę fuzji (strefa fuzji, FZ), strefę wpływu ciepła (strefa wpływu ciepła, HAZ) i metal podstawowy (metal podstawowy, BM) [12]. Mikrostruktura metalu podstawowego składa się głównie z ferrytu i niewielkiej ilości perlitu. Główny pierwiastek Mn dodany do stali Q345B nie tylko ma znaczący wpływ wzmacniający na ferryt, ale również obniża temperaturę przejścia ciągliwość-kruchość, zwiększa ilość perlitu i poprawia wytrzymałość perlitu.

Rysunek 4 (a) przedstawia mikrostrukturę obszaru powłoki wewnątrz warstwy powłoki, która składa się z ferrytu listwowego i igłowatego, widmanstatten i niewielkiej ilości martenzytu listwowego. Ze względu na różne warstwy, każda warstwa powłoki będzie miała efekt odpuszczania na poprzedniej warstwie, co spowoduje równomierne rozdrobnienie ziarna i wyraźne granice ziaren; Rysunki 4 (b) i (b-1) przedstawiają mikrostrukturę obszaru stopienia, który składa się z ferrytu i widmanstatten o nierównomiernym rozkładzie ziarna; Rysunek 4 (d) przedstawia mikrostrukturę obszaru zachodzenia na siebie dwóch spoin wewnątrz warstwy powłoki. Jasny obszar na rysunku to linia stopienia między dwoma spoinami. Podczas procesu chłodzenia, roztopiony staw utworzy ferryt kolumnowy wzdłuż kierunku rozpraszania ciepła. Dlatego obszar ten składa się głównie z ferrytu kolumnowego i niewielkiej ilości perlitu, jak pokazano na rysunku 4 (d-1). Ze względu na podwójne działanie termiczne obszar zachodzenia na siebie ma równomierne rozdrobnienie ziarna; Rysunek Rysunek 4 (d-2) przedstawia obszar dotknięty przemianą fazową, który składa się głównie z ferrytu i statyki Widmanstattena. Ze względu na wpływ ciepła przemiany fazowej, wielkość ziarna tego obszaru jest nieznacznie większa niż wielkość ziarna obszaru nakładania się; Rysunek 4 (e-1) przedstawia mikrostrukturę strefy wpływu ciepła. Podczas procesu spawania dolny obszar powłoki ulega odpuszczeniu, co powoduje, że struktura tego obszaru jest udoskonalona, ​​a rozkład ziarna równomierny. Składa się głównie z drobnoziarnistego ferrytu i niewielkiej ilości perlitu. Drobnoziarnisty ferryt jest produktem przemiany pomiędzy ferrytem i bainitem. Jest to korzystna mikrostruktura w procesie metalurgii spawania [11].

Rysunek 5 przedstawia mikrostrukturę ostatniej warstwy okładzinowej. Ta warstwa nie jest poddawana wtórnemu nagrzewaniu laserowemu. W porównaniu z innymi warstwami może zachować oryginalną morfologię struktury. Jej wielkość ziarna jest jednorodna, a struktura gęsta. Składa się głównie z ferrytu, Widmanstattena i martenzytu listwowego.

2.3 Analiza XRD i EDS warstwy płaszcza
Aby przeanalizować skład fazowy warstwy powłoki laserowej, próbkę o wymiarach 10 mm×10 mm×8 mm wycięto metodą cięcia drutem, a po szlifowaniu i polerowaniu wykonano analizę dyfrakcji rentgenowskiej. Rysunek 6 przedstawia widmo XRD wielowarstwowej wieloprzejściowej warstwy powłoki laserowej i materiału macierzystego. Łącząc wyniki mikrostruktury i widma XRD, można zauważyć, że warstwa powłoki składa się głównie z dużej ilości ferrytu, części martenzytu i widmanstattenitu, a nie pojawiają się żadne inne szkodliwe fazy. Ponieważ ferryt kolumnowy powstanie w procesie chłodzenia stopionego jeziorka powłoki laserowej, warstwa powłoki zawiera dużą ilość ferrytu. Gdy ciepło doprowadzone przez laser jest duże podczas procesu spawania, mikrostruktura warstwy powłoki stanie się do pewnego stopnia grubsza, a wielkość ziarna wzrośnie. W tym momencie struktura będzie wyglądać jak przegrzany widmanstattenit i martenzyt listwowy, a obie struktury będą przesunięte.

Skład chemiczny analizowano za pomocą skanowania punktowego w różnych pozycjach przekroju próbki. Pozycje skanowania punktowego pokazano na rysunku 7, a wyniki analizy EDS różnych obszarów pokazano w tabeli 3. Ze względu na wysoką zawartość pierwiastków Cr i Ni w drucie spawalniczym, zawartość Cr i Ni w warstwie powłoki jest znacznie wyższa niż w materiale macierzystym, co sprawia, że ​​odporność na korozję warstwy powłoki jest lepsza niż w materiale macierzystym.

2.4 Analiza mikrotwardości warstwy okładzinowej
Zmierzono mikrotwardość próbki. Podczas testu obciążenie wynosiło 1000 g, czas trzymania wynosił 10 s, ścieżka pomiaru przebiegała wzdłuż kierunku od materiału macierzystego do obszaru powłoki, a odstęp między dwoma sąsiednimi punktami próbkowania wynosił 1 mm. Rozkład mikrotwardości od materiału macierzystego do obszaru powłoki pokazano na rysunku 8. Średnia mikrotwardość materiału macierzystego wynosi 172.02 HV, a średnia mikrotwardość warstwy powłoki wynosi 320.13 HV. Mikrostruktura ostatniej warstwy powłoki zawiera dużą ilość ferrytu, widmanstattenitu i niewielką ilość martenzytu listwowego i perlitu. Wartość twardości tego obszaru mikrostruktury jest najwyższa i wynosi 325.92 HV. Średnia twardość warstwy powłoki jest znacznie wyższa niż twardość materiału macierzystego, co spełnia wymagania dotyczące wytrzymałości naprawy. Jak pokazano na rysunku 8, twardość obszaru powłoki jest zazwyczaj rozłożona w sposób schodkowy. Dzieje się tak, ponieważ w procesie wielowarstwowego i wieloprzebiegowego wypełniania drutem laserowym każda warstwa powłoki będzie miała efekt odpuszczania po nagrzaniu na poprzednią warstwę podczas procesu formowania i efekt podgrzewania wstępnego na następną warstwę. Ostatnia warstwa powłoki ma efekt podgrzewania wstępnego bez odpuszczania po nagrzaniu, co sprzyja równomiernemu rozdrobnieniu ziarna i znacznie poprawia twardość.

2.5 Analiza odporności korozyjnej warstwy okładzinowej
Większość korozji metali zachodzi w formie korozji elektrochemicznej, a procesowi korozji towarzyszy generowanie prądu, podobnie jak w przypadku baterii pierwotnej [13-14]. Aby przetestować właściwości antykorozyjne wielowarstwowej i wieloprzejściowej warstwy okładzinowej, próbkę umieszczono w 3.5% roztworze NaCl, aby przetestować jej krzywą polaryzacji Tafela i widmo impedancji.

Krzywe polaryzacji warstwy okładzinowej i materiału bazowego pokazano na rysunku 9. Można zauważyć, że krzywa polaryzacji warstwy okładzinowej ma obszar pasywacji, co wskazuje, że podczas procesu korozji na powierzchni warstwy okładzinowej tworzy się gęsta warstwa tlenku. Pierwiastki takie jak Cr, Ni i Si w warstwie tlenku poprawiają stabilność pasywacji, utrudniają dyfuzję jonów i poprawiają odporność na korozję. Potencjał samokorozji Ecorr i gęstość prądu samokorozji Icorr warstwy okładzinowej i materiału bazowego uzyskano przez dopasowanie danych, jak pokazano w tabeli 4. Potencjał samokorozji Ecorr metalu w roztworze elektrolitu odzwierciedla jego wrażliwość na korozję i jest wskaźnikiem odporności materiału na korozję elektrochemiczną. Im mniejszy potencjał samokorozji, tym łatwiej metalowi tracić elektrony i tym słabsza jest jego odporność na korozję; im większy potencjał samokorozji, tym trudniej metalowi tracić elektrony i tym silniejsza jest jego odporność na korozję[14]. Jak widać z tabeli 4, potencjał samokorozji warstwy okładzinowej jest wyższy niż materiału bazowego, co wskazuje, że warstwa okładzinowa ma silną odporność na korozję. Gęstość prądu samokorozji Icorr jest proporcjonalna do szybkości korozji. Im większy prąd korozji, tym szybsza szybkość korozji materiału i gorsza odporność na korozję. Jak widać z danych w tabeli 4, prąd samokorozji materiału bazowego jest wyższy niż warstwy okładzinowej, co wskazuje, że odporność na korozję materiału bazowego jest słaba. Dlatego też, porównując wielkość potencjału samokorozji i prądu samokorozji, można wnioskować, że odporność na korozję warstwy okładzinowej jest lepsza niż materiału bazowego.

Warstwę płaszcza i materiał bazowy przetestowano metodą spektroskopii impedancyjnej (EIS), a widmo impedancji Nyquista wykresów dwóch próbek pokazano na rysunku 10. Z' i Z” to części rzeczywiste i urojone zmierzonej impedancji Z. Zarówno warstwa płaszcza, jak i materiał bazowy wykazują pojedynczą charakterystykę łuku pojemnościowego. Im większy promień łuku pojemnościowego, tym większa całkowita impedancja próbki i większa odporność na korozję. Jak pokazano na rysunku 10, promień łuku pojemnościowego warstwy płaszcza jest znacznie większy niż promień łuku materiału bazowego. Dlatego rezystancja polaryzacji warstwy płaszcza jest większa, co wskazuje, że szybkość korozji warstwy płaszcza jest niższa, a odporność na korozję jest większa, co jest zgodne z wynikami dynamicznej krzywej polaryzacji potencjału.

Podsumowując, odporność na korozję warstwy okładzinowej jest lepsza niż materiału bazowego. Po pierwsze, materiał okładzinowy wykorzystuje drut spawalniczy AFEW6-86, który ma wyższą zawartość Cr i Ni niż materiał bazowy, dzięki czemu warstwa okładzinowa ma wyższą odporność na utlenianie i korozję. W środowisku korozyjnym, gdy Cr reaguje z pierwiastkami O, na powierzchni utworzy się warstwa odpornego na korozję filmu tlenkowego, który oddzieli powierzchnię metalu od ośrodka korozyjnego, zmniejszy proces rozpuszczania anody i zmniejszy szybkość rozpuszczania metalu okładzinowego, poprawiając w ten sposób odporność na korozję warstwy okładzinowej. Odporność na korozję jest poprawiona [15-16]. Drugim powodem jest to, że rozkład wielkości ziaren w warstwie okładzinowej jest bardziej równomierny ze względu na zwiększenie dopływu ciepła.

Wnioski 3
(1) Warstwa okładzinowa uzyskana metodą wielowarstwową i wieloprzebiegową proces spawania drutem laserowym ma dobrą makroskopową formację, nie ma widocznych defektów, takich jak pory i pęknięcia, a między warstwą okładziny a materiałem macierzystym tworzy się dobre wiązanie metalurgiczne. Występuje znaczne pionowe spiętrzenie, a grubość warstwy okładziny wynosi 11.5 mm.
(2) Warstwa okładzinowa składa się głównie z ferrytu, widmanstattenu i martenzytu listwowego. Zawartość Cr i Ni w warstwie okładzinowej jest wyższa niż w materiale macierzystym. Pierwiastki Cr i Ni poprawiają stabilność filmu pasywacyjnego, utrudniają dyfuzję jonów i poprawiają odporność na utlenianie i korozję warstwy okładzinowej. Ponadto, ze względu na wzrost ciepła wejściowego, rozkład wielkości ziaren w warstwie okładzinowej jest bardziej równomierny, więc odporność na korozję warstwy okładzinowej jest lepsza niż materiału macierzystego.
(3) Średnia twardość materiału macierzystego wynosi 172.02 HV, a średnia twardość warstwy okładzinowej wynosi 320.13 HV, twardość warstwy okładzinowej jest znacznie wyższa niż twardość materiału macierzystego. Ze względu na wpływ mikrostruktury i wielkości ziarna twardość obszaru okładziny wykazuje jako całość schodkowy trend rozkładu.