Для выполнения многослойной и многопроходной обработки использовался метод перекрестной ортогональной укладки. лазерная наплавка проволоки на пластине из низкоуглеродистой стали Q20B толщиной 345 мм, и были изучены макроскопическая морфология, микроструктура, фазовый состав, микротвердость и коррозионная стойкость плакирующего слоя. Результаты показывают, что плакирующий слой, полученный с помощью многослойного и многопроходного процесса лазерной проволочной наплавки, имеет хорошее макроскопическое формирование и не имеет очевидных дефектов, таких как поры и трещины; плакирующий слой в основном состоит из зона облицовки, зона перекрытия, зона изменения фазы, зона сплавления и зона термического влияния; структура исходного материала в основном ферритная и перлитная, а микроструктура слоя оболочки в основном ферритная, видманштеттеновая и мартенситная; из-за влияния микроструктуры и размера зерна твердость слоя оболочки в целом ступенчатая, а средняя твердость слоя оболочки составляет 320.13 HV, что выше, чем у исходного материала; в 3.5% растворе NaCl поляризационная кривая слоя оболочки показывает область пассивации, а его коррозионная стойкость лучше, чем у исходного материала. Многослойный и многопроходный процесс наплавки лазерной проволокой может удовлетворить требования к подготовке слоев оболочки в реальном машиностроении.
Ключевые слова: низкоуглеродистая сталь Q345B; лазерная проволочная наплавка; перекрестно-ортогональная укладка; микроструктура и свойства

С развитием экономики и общества спрос моей страны на морские нефтяные и газовые ресурсы продолжает расти. Сосредоточение внимания на разведке и разработке морских ресурсов является практической потребностью для развития нефтяной промышленности моей страны [1-2]. Из-за сложной среды обслуживания морских инженерных сооружений они более восприимчивы к повреждениям, чем традиционные сооружения. Поэтому ежедневное обслуживание морского инженерного оборудования стало ключевой проблемой, которую необходимо решать срочно [3]. Сталь Q345B — это низколегированная высокопрочная сталь с хорошими комплексными свойствами и отличной свариваемостью. Она широко используется в морской технике и мостостроении [4].

Как передовая технология защитного и ремонтного покрытия, лазерная наплавка обеспечивает эффективный процесс формирования близкой к чистой форме для высокоточного ремонта ключевых деталей и подготовки покрытий с улучшенными свойствами материала [5]. Во время многослойного и многопроходного процесса наплавки зоны термического влияния соседних сварных швов перекрываются, образуя области, которые подверглись двум или более термическим циклам. Микроструктура этих областей особенно сложна [6], а фаза состава микроструктуры, скорость рекристаллизации, окалина осадков и морфология включений непрерывно изменяются на протяжении всего процесса [7]. Поэтому во время многослойного и многопроходного процесса наплавки в области наплавки часто имеются слабые места, которые подвержены разрушению во время использования. Например, электролитическая коррозия и коррозия под напряжением часто наблюдаются вблизи сварных соединений сосудов высокого давления во время использования [8].

Ву и др. [9] использовали технология лазерной наплавки для подготовки непрерывного и плотного слоя покрытия Mo2NiB2 на стальной подложке. Покрытие имеет высокую твердость, хорошую износостойкость и коррозионную стойкость, улучшает эксплуатационные характеристики подложки и обеспечивает безопасную и стабильную эксплуатацию морского инженерного оборудования. Ли и др. [10] использовали лазерную проволочную наплавку для ремонта корродированных деталей поверхности нержавеющей стали 316L и получили многослойный многопроходный слой покрытия из нержавеющей стали 308L. Покрытие в основном состоит из аустенита и небольшого количества феррита с прочностью на разрыв и удлинением 548 МПа и 40% соответственно, что составляет около 86% и 74% подложки.

В данной работе Технология лазерной наплавки проволоки используется для изготовления лазерного наплавочного слоя Q345B методом перекрестной ортогональной укладки. Изучены макроскопическая морфология, микроструктура, фазовый состав, микротвердость и коррозионная стойкость многослойного многопроходного наплавочного слоя, что является основой для ремонта морских инженерных сооружений на месте.

1 Эксперимент по лазерной наплавке проволоки

1.1 Экспериментальные материалы

Экспериментальный материал подложки — углеродистая сталь Q345B, а материал оболочки проволоки — проволока из легированной стали AFEW6-86 диаметром 1.2 мм. Химический состав обоих материалов показан в таблице 1.

1.2 Многослойный и многопроходный процесс лазерной наплавки проволоки
В реальных инженерных приложениях на заготовку будут воздействовать силы в разных направлениях во время работы, поэтому необходимо учитывать влияние анизотропии. Чтобы уменьшить влияние анизотропии, путь слоя оболочки планируется, направление присоединения сварных швов в том же слое является согласованным, направления сварных швов в соседних слоях укладки перпендикулярны друг другу, а слои ортогональны. Его перекрестно-ортогональный путь укладки показан на рисунке 1.

Во время эксперимента по наплавке защитным газом был чистый аргон с чистотой газа 99.99%. Сначала был проведен ортогональный эксперимент с использованием метода однослойной однопроходной наплавки для исследования оптимальных параметров процесса для однопроходной наплавки; затем был использован метод многослойной однопроходной укладки для изучения влияния высоты подъема между слоями на качество формирования сварного шва, и был получен многослойный однопроходной сварной шов с прямым слоем наплавки и хорошим эффектом формирования. На основе вышеизложенного было изучено влияние различных скоростей перекрытия на качество формирования слоя наплавки, и было обнаружено, что при скорости перекрытия 40% высота между каждым проходом слоя наплавки была относительно равномерной, формирование поверхности было относительно плоским, а металлургическая связь между каждым проходом была самой прочной. Высота подъема между экспериментальными слоями составляет 0.8 мм для каждого из первых двух слоев и 0.7 мм для каждого из последующих слоев. Конкретные экспериментальные параметры показаны в таблице 2.

1.3 Метод анализа и испытания облицовочного слоя
Металлографические образцы вырезали методом резки проволоки из подготовленного многослойного и многопроходного слоя оболочки. Поверхность образца шлифовали после заливки эпоксидной смолой при комнатной температуре. Для полировки использовали наждачную бумагу различной шероховатости до тех пор, пока не осталось царапин. Затем образец полировали на полировальном станке для получения металлографического сечения образца с зеркальным эффектом. Образец подвергали коррозии в 4%-ном спиртовом растворе азотной кислоты для вытравливания видимого интерфейса слоя оболочки, промывали спиртом и высушивали продувкой, а микроструктуру образца наблюдали с помощью металлографического микроскопа; фазовый состав и эволюция слоя оболочки сканировали и анализировали в диапазоне 30°~100° с использованием технологии рентгеновской дифракции; химический элементный анализ слоя оболочки выполняли с помощью энергетического спектрометра; микротвердость различных участков сечения слоя оболочки проверяли с помощью твердомера Виккерса HVS-1000Z; поляризационные кривые и спектры импеданса покровного слоя и основного материала были испытаны в 3.5% растворе NaCl с использованием электрохимической рабочей станции VersaSTAT 3F с насыщенным каломельным электродом в качестве электрода сравнения и платиновым электродом в качестве вспомогательного электрода, а также была проведена сравнение и анализ их коррозионной стойкости.

2 Результаты экспериментов и анализ
2.1 Макроморфологический анализ плакирующего слоя
Слой оболочки, заполненный лазерной проволокой, был подготовлен с помощью эксперимента по перекрестно-ортогональной укладке 29 (длина) × 15 (ширина) × 12 слоев (высота). Слой оболочки имеет хороший эффект формирования, гладкую поверхность, отсутствие макродефектов, таких как трещины и несплавления, и очевидную вертикальную высоту. Макроскопическая морфология слоя оболочки показана на рисунке 2. Во время эксперимента по многослойной многопроходной лазерной проволоке процесс оболочки последнего слоя вызовет реакцию переплавки на предыдущем слое оболочки, что приведет к нисходящему потоку на краю слоя оболочки. В то же время, во время процесса оболочки, из-за определенной задержки в инструкциях начала и конца выхода лазерного света, высота края слоя оболочки будет немного ниже средней части.

На рисунке 3 показана поперечная морфология многослойного многопроходного лазерного наплавочного слоя. Дефектов типа пор, трещин и включений не обнаружено. Между наплавочным металлом и основным материалом образовалась плотная металлургическая связь. Была очевидна вертикальная высота, а толщина наплавочного слоя составила 11.5 мм.

2.2 Анализ микроструктуры плакирующего слоя
Охлаждение сварочной ванны представляет собой процесс фазового перехода, и микроструктура фазового перехода зависит от химического состава и условий охлаждения металла шва [11]. Микроструктура каждой области плакирующего слоя наблюдалась с помощью металлографического микроскопа, как показано на рисунке 4. Плакирующий слой включает зону плакирования (плакированную зону, CZ), зону наплавки (перекрытую зону, OZ), зону фазового перехода (зону фазового перехода, PAZ), зону сплавления (зону сплавления, FZ), зону термического влияния (зону термического влияния, HAZ) и основной металл (основной металл, BM) [12]. Микроструктура основного металла в основном состоит из феррита и небольшого количества перлита. Основной элемент Mn, добавленный в сталь Q345B, не только оказывает значительное упрочняющее действие на феррит, но и снижает температуру перехода вязкость-хрупкость, увеличивает количество перлита и улучшает прочность перлита.

На рисунке 4 (а) показана микроструктура области наплавки внутри слоя наплавки, которая состоит из реечного и игольчатого феррита, видманштеттена и небольшого количества реечного мартенсита. Из-за различных слоев каждый слой наплавки будет оказывать эффект отпуска на предыдущий слой, что приведет к равномерному измельчению зерна и четким границам зерен; на рисунках 4 (б) и (б-1) показана микроструктура области сплавления, которая состоит из феррита и видманштеттена с неравномерным распределением зерен; на рисунке 4 (г) показана микроструктура области перекрытия двух сварных швов внутри слоя наплавки. Яркая область на рисунке — это линия сплавления между двумя сварными швами. В процессе охлаждения расплавленная ванна будет образовывать столбчатый феррит вдоль направления рассеивания тепла. Поэтому эта область в основном состоит из столбчатого феррита и небольшого количества перлита, как показано на рисунке 4 (г-1). Вследствие двойного термического воздействия область перекрытия имеет равномерное измельчение зерна; Рисунок Рисунок 4 (d-2) - это область, затронутая фазовым превращением, которая в основном состоит из феррита и видманштеттена. Из-за влияния тепла фазового превращения размер зерна этой области немного больше, чем у области перекрытия; Рисунок 4 (e-1) - это микроструктура зоны термического влияния. В процессе сварки нижняя область оболочки подвергается отпуску, что делает структуру этой области измельченной, а распределение зерна равномерным. Она в основном состоит из мелкозернистого феррита и небольшого количества перлита. Мелкозернистый феррит является продуктом превращения между ферритом и бейнитом. Это полезная микроструктура в металлургическом процессе сварки [11].

Рисунок 5 - микроструктура последнего слоя наплавки. Этот слой не подвергается вторичному лазерному нагреву. По сравнению с другими слоями он может сохранять исходную морфологию структуры. Его размер зерна равномерный, а структура плотная. Он в основном состоит из феррита, видманштеттена и реечного мартенсита.

2.3 Анализ рентгеновской дифракции и энергодисперсионной спектроскопии покровного слоя
Для анализа фазового состава слоя лазерной наплавки образец размером 10 мм × 10 мм × 8 мм был вырезан проволочной резкой, и после шлифовки и полировки был проведен рентгеновский дифракционный анализ. На рисунке 6 показан спектр XRD многослойного многопроходного слоя лазерной наплавки и исходного материала. Объединяя результаты микроструктуры и спектра XRD, можно увидеть, что слой наплавки в основном состоит из большого количества феррита, части мартенсита и видманштеттенита, и никаких других вредных фаз не появляется. Поскольку столбчатый феррит будет образовываться в процессе охлаждения расплавленной ванны лазерной наплавки, слой наплавки содержит большое количество феррита. Когда тепловложение лазера велико во время процесса сварки, микроструктура слоя наплавки будет в определенной степени грубеть, а размер зерна увеличится. В это время структура будет выглядеть как перегретый видманштеттенит и реечный мартенсит, причем обе структуры будут располагаться в шахматном порядке.

Химический состав анализировался методом точечного сканирования в различных положениях поперечного сечения образца. Положения точечного сканирования показаны на рисунке 7, а результаты анализа EDS различных областей показаны в таблице 3. Из-за высокого содержания элементов Cr и Ni в сварочной проволоке содержание Cr и Ni в плакирующем слое значительно выше, чем в основном материале, что делает коррозионную стойкость плакирующего слоя лучше, чем у основного материала.

2.4 Анализ микротвердости плакирующего слоя
Измерялась микротвердость образца. Во время испытания нагрузка составляла 1000 г, время выдержки — 10 с, путь измерения — по направлению от основного материала к области наплавки, а интервал между двумя соседними точками отбора проб — 1 мм. Распределение микротвердости от основного материала к области наплавки показано на рисунке 8. Средняя микротвердость основного материала составляет 172.02 HV, а средняя микротвердость слоя наплавки — 320.13 HV. Микроструктура последнего слоя наплавки содержит большое количество феррита, видманштеттенита и небольшое количество реечного мартенсита и перлита. Значение твердости этой области микроструктуры является самым высоким и составляет 325.92HV. Средняя твердость слоя наплавки значительно выше, чем у основного материала, что соответствует требованиям ремонтной прочности. Как показано на рисунке 8, твердость области плакирования, как правило, распределена ступенчато. Это связано с тем, что в процессе многослойной и многопроходной лазерной засыпки проволоки каждый слой плакирования будет иметь эффект отпуска после нагрева на предыдущий слой в процессе формирования и эффект предварительного нагрева на следующий слой. Последний слой плакирования имеет эффект предварительного нагрева без отпуска после нагрева, что способствует равномерному измельчению зерна и значительно повышает твердость.

2.5 Анализ коррозионной стойкости плакирующего слоя
Большая часть коррозии металлов осуществляется в форме электрохимической коррозии, и процесс коррозии сопровождается генерацией тока, как в первичной батарее [13-14]. Для того чтобы проверить электрохимическую коррозионную эффективность многослойного и многопроходного слоя оболочки, образец был помещен в 3.5% раствор NaCl для проверки его поляризационной кривой Тафеля и спектра импеданса.

Поляризационные кривые плакирующего слоя и основного материала показаны на рисунке 9. Видно, что поляризационная кривая плакирующего слоя имеет область пассивации, что указывает на то, что на поверхности плакирующего слоя в процессе коррозии образуется плотная оксидная пленка. Такие элементы, как Cr, Ni и Si в оксидной пленке, улучшают устойчивость пассивации, затрудняют диффузию ионов и повышают коррозионную стойкость. Потенциал самокоррозии Ecorr и плотность тока самокоррозии Icorr плакирующего слоя и основного материала получены путем подгонки данных, как показано в таблице 4. Потенциал самокоррозии Ecorr металла в растворе электролита отражает его чувствительность к коррозии и является показателем стойкости материала к электрохимической коррозии. Чем меньше потенциал самокоррозии, тем легче металл теряет электроны и тем слабее его коррозионная стойкость; чем больше потенциал самокоррозии, тем труднее металлу терять электроны и тем сильнее его коррозионная стойкость[14]. Как видно из Таблицы 4, потенциал самокоррозии плакирующего слоя выше, чем у основного материала, что указывает на то, что плакирующий слой имеет сильную коррозионную стойкость. Плотность тока самокоррозии Icorr пропорциональна скорости коррозии. Чем больше ток коррозии, тем выше скорость коррозии материала и тем хуже коррозионная стойкость. Как видно из данных Таблицы 4, ток самокоррозии основного материала выше, чем у плакирующего слоя, что указывает на то, что коррозионная стойкость основного материала плохая. Поэтому, сравнивая величину потенциала самокоррозии и тока самокоррозии, можно сделать вывод, что коррозионная стойкость плакирующего слоя лучше, чем у основного материала.

Плакирующий слой и базовый материал были испытаны методом импедансной спектроскопии (EIS), а графики спектра импеданса Найквиста двух образцов показаны на рисунке 10. Z' и Z” являются действительной и мнимой частями измеренного импеданса Z соответственно. Как плакирующий слой, так и базовый материал представляют собой одну емкостную характеристику дуги. Чем больше радиус емкостной дуги, тем больше общий импеданс образца и тем сильнее коррозионная стойкость. Как показано на рисунке 10, радиус емкостной дуги плакирующего слоя значительно больше, чем у базового материала. Следовательно, поляризационное сопротивление плакирующего слоя больше, что указывает на то, что скорость коррозии плакирующего слоя ниже, а коррозионная стойкость выше, что согласуется с результатами кривой динамической поляризации потенциала.

Подводя итог, можно сказать, что коррозионная стойкость слоя оболочки лучше, чем у основного материала. Во-первых, в материале оболочки используется сварочная проволока AFEW6-86, которая имеет более высокое содержание Cr и Ni, чем основной материал, поэтому слой оболочки имеет более высокую стойкость к окислению и коррозионную стойкость. В коррозионной среде, когда Cr реагирует с элементами O, на поверхности образуется слой коррозионно-стойкой оксидной пленки, которая отделяет поверхность металла от коррозионной среды, уменьшает процесс растворения анода и снижает скорость растворения металла оболочки, тем самым улучшая коррозионную стойкость слоя оболочки. Коррозионная стойкость улучшается [15-16]. Вторая причина заключается в том, что распределение размеров зерен в слое оболочки становится более равномерным из-за увеличения подвода тепла.

Заключение 3
(1) Слой покрытия, полученный многослойным и многопроходным методом Процесс сварки лазерной проволокой имеет хорошее макроскопическое формирование, не имеет явных дефектов, таких как поры и трещины, и между слоем оболочки и основным материалом образуется хорошая металлургическая связь. Имеет место значительное вертикальное нагромождение, а толщина слоя оболочки составляет 11.5 мм.
(2) Плакирующий слой в основном состоит из феррита, видманштеттена и реечного мартенсита. Содержание Cr и Ni в плакирующем слое выше, чем в исходном материале. Элементы Cr и Ni улучшают стабильность пассивирующей пленки, препятствуют диффузии ионов и улучшают стойкость к окислению и коррозионную стойкость плакирующего слоя. Кроме того, из-за увеличения подвода тепла распределение размеров зерен в плакирующем слое становится более равномерным, поэтому коррозионная стойкость плакирующего слоя лучше, чем у исходного материала.
(3) Средняя твердость исходного материала составляет 172.02HV, а средняя твердость плакирующего слоя составляет 320.13HV, твердость плакирующего слоя намного выше, чем у исходного материала. Из-за влияния микроструктуры и размера зерна твердость плакирующей области в целом показывает ступенчатую тенденцию распределения.