Metóda krížového ortogonálneho stohovania bola použitá na vykonanie viacvrstvového a viacprechodového opláštenie laserovým drôtom na doske z nízkouhlíkovej ocele Q20B s hrúbkou 345 mm a študovala sa makroskopická morfológia, mikroštruktúra, fázové zloženie, mikrotvrdosť a odolnosť proti korózii obkladovej vrstvy. Výsledky ukazujú, že obkladová vrstva získaná viacvrstvovým a viacpriechodovým procesom plnenia laserovým drôtom má dobrú makroskopickú formáciu a nemá žiadne zjavné defekty, ako sú póry a praskliny; obkladová vrstva sa skladá hlavne z obkladová zóna, zóna prekrytia, zóna ovplyvnená zmenou fázy, zóna fúzie a zóna ovplyvnená teplom; štruktúra základného materiálu je hlavne ferit a perlit a mikroštruktúra obkladovej vrstvy je hlavne ferit, widmanstatten a martenzit; vplyvom mikroštruktúry a zrnitosti je tvrdosť obkladovej vrstvy celkovo stupňovitá a priemerná tvrdosť obkladovej vrstvy je 320.13 HV, čo je viac ako u základného materiálu; v 3.5 % roztoku NaCl vykazuje krivka polarizácie obkladovej vrstvy pasiváciu a jej odolnosť proti korózii je lepšia ako u základného materiálu. Viacvrstvový a viacpriechodový proces opláštenia laserovým drôtom môže spĺňať požiadavky na prípravu obkladových vrstiev v skutočnom strojárstve.
Kľúčové slová: Nízkouhlíková oceľ Q345B; opláštenie laserovým drôtom; krížové ortogonálne stohovanie; mikroštruktúra a vlastnosti

S rozvojom hospodárstva a spoločnosti sa dopyt mojej krajiny po morských zdrojoch ropy a plynu neustále zvyšuje. Zameranie sa na prieskum a rozvoj morských zdrojov je praktickou potrebou rozvoja ropného priemyslu mojej krajiny [1-2]. Kvôli komplexnému servisnému prostrediu námorných inžinierskych štruktúr sú náchylnejšie na poškodenie ako tradičné konštrukcie. Preto sa každodenná údržba vybavenia námornej techniky stala kľúčovým problémom, ktorý je potrebné urýchlene vyriešiť [3]. Oceľ Q345B je nízkolegovaná vysokopevná oceľ s dobrými komplexnými vlastnosťami a výbornou zvárateľnosťou. Je široko používaný v námornom inžinierstve a stavbe mostov [4].

Ako pokročilá technológia ochranného a opravného náteru poskytuje laserové plátovanie efektívny proces tvarovania v takmer čistom tvare na vysoko presné opravy kľúčových častí a prípravu náterov s pokročilými materiálovými vlastnosťami [5]. Počas viacvrstvového a viacprechodového procesu obaľovania sa tepelne ovplyvnené zóny susedných zvarov prekrývajú a vytvárajú oblasti, ktoré prešli dvoma alebo viacerými tepelnými cyklami. Mikroštruktúra týchto oblastí je obzvlášť zložitá [6] a fáza zloženia mikroštruktúry, rýchlosť rekryštalizácie, šupina precipitátu a morfológia inklúzií sa v priebehu procesu neustále menia [7]. Preto sa pri viacvrstvovom a viacprechodovom procese obkladu často vyskytujú slabé miesta v oblasti obkladu, ktoré sú náchylné na poruchu pri používaní. Napríklad v blízkosti zvarových spojov tlakových nádob sa počas používania často pozoruje elektrolytická korózia a korózia pod napätím [8].

Wu a kol. [9] použité laserová obkladová technológia na prípravu súvislej a hustej obkladovej vrstvy Mo2NiB2 na oceľovom podklade. Povlak má vysokú tvrdosť, dobrú odolnosť proti opotrebeniu a korózii, zlepšuje výkon substrátu a zaisťuje bezpečnú a stabilnú obsluhu námorného inžinierskeho vybavenia. Li a spol. [10] použil laserový drôtový povlak na opravu skorodovaných častí povrchu nehrdzavejúcej ocele 316L a získal viacvrstvovú viacvrstvovú vrstvu z nehrdzavejúcej ocele 308L. Povlak sa skladá hlavne z austenitu a malého množstva feritu s pevnosťou v ťahu 548 MPa a 40 % predĺžením, čo je asi 86 % a 74 % substrátu.

Na tomto papieri, technológia opláštenia laserovým drôtom sa používa na prípravu laserovej obkladovej vrstvy Q345B krížovým ortogonálnym stohovaním. Študuje sa makroskopická morfológia, mikroštruktúra, fázové zloženie, mikrotvrdosť a odolnosť proti korózii viacvrstvovej viacvrstvovej obkladovej vrstvy, čo poskytuje základ pre opravy námorných inžinierskych štruktúr na mieste.

1 Experiment opláštenia laserovým drôtom

1.1 Experimentálne materiály

Experimentálnym materiálom substrátu je uhlíková oceľ Q345B a materiálom na pokrytie drôtu je drôt z legovanej ocele AFEW6-86 s priemerom 1.2 mm. Chemické zloženie týchto dvoch látok je uvedené v tabuľke 1.

1.2 Viacvrstvový a viacpriechodový proces opláštenia laserovým drôtom
V skutočných inžinierskych aplikáciách bude obrobok počas prevádzky ovplyvňovaný silami v rôznych smeroch, takže je potrebné zvážiť vplyv anizotropie. Aby sa znížil vplyv anizotropie, je naplánovaná dráha obkladovej vrstvy, aditívny smer zvarov v tej istej vrstve je konzistentný, smery zvarov v susedných vrstvených vrstvách sú na seba kolmé a vrstvy sú ortogonálne. Jeho priečna ortogonálna dráha stohovania je znázornená na obrázku 1.

Počas experimentu s plášťom je ochranným plynom čistý argónový plyn s čistotou 99.99 %. Najprv sa uskutočnil ortogonálny experiment s použitím jednovrstvovej jednopriechodovej metódy plátovania, aby sa preskúmali optimálne parametre procesu pre jednoprechodové plátovanie; potom sa použila metóda viacvrstvového jednoprechodového stohovania na štúdium vplyvu výšky zdvihu medzi vrstvami na kvalitu tvarovania zvaru a získal sa viacvrstvový jednoprechodový zvar s rovnou obkladovou vrstvou a dobrým tvarovacím efektom. Na základe vyššie uvedeného sa študoval vplyv rôznych mier prekrytia na kvalitu tvarovania obkladovej vrstvy a zistilo sa, že keď bola miera prekrytia 40 %, výška medzi jednotlivými prechodmi obkladovej vrstvy bola relatívne rovnomerná, tvorba povrchu bola relatívne plochá a metalurgická väzba medzi každým prechodom bola najsilnejšia. Výška zdvihu medzi experimentálnymi vrstvami je 0.8 mm pre každú z prvých dvoch vrstiev a 0.7 mm pre každú z nasledujúcich vrstiev. Špecifické experimentálne parametre sú uvedené v tabuľke 2.

1.3 Metóda analýzy a skúšania obkladovej vrstvy
Na rezanie metalografických vzoriek z pripravenej viacvrstvovej a viacprechodovej plátovacej vrstvy sa použilo rezanie drôtom. Povrch vzorky bol zbrúsený po zaliatí epoxidovou živicou pri teplote miestnosti. Na leštenie sa používal brúsny papier rôznej drsnosti, kým nezostali žiadne škrabance. Potom sa vzorka vyleštila leštiacim strojom, aby sa získal metalografický prierez vzorky so zrkadlovým efektom. Vzorka bola korodovaná 4% roztokom kyseliny dusičnej v alkohole, aby sa vyleptalo viditeľné rozhranie plášťovej vrstvy, opláchnutá alkoholom a vyfúkaná do sucha a mikroštruktúra vzorky bola pozorovaná metalografickým mikroskopom; fázové zloženie a vývoj povlakovej vrstvy boli skenované a analyzované v rozsahu 30°~100° použitím technológie rôntgenovej difrakcie; analýza chemických prvkov obkladovej vrstvy sa uskutočnila pomocou energetického spektrometra; mikrotvrdosť rôznych oblastí prierezu obkladovej vrstvy bola testovaná pomocou tvrdomeru HVS-1000Z Vickers; polarizačné krivky a impedančné spektrá plášťovej vrstvy a základného materiálu boli testované v 3.5 % roztoku NaCl s použitím elektrochemickej pracovnej stanice VersaSTAT 3F s nasýtenou kalomelovou elektródou ako referenčnou elektródou a platinovou elektródou ako pomocnou elektródou a ich odolnosť proti korózii bol porovnaný a analyzovaný.

2 Experimentálne výsledky a analýzy
2.1 Makromorfologická analýza obkladovej vrstvy
Obkladová vrstva naplnená laserovým drôtom bola pripravená krížovým ortogonálnym stohovacím experimentom 29 (dĺžka) × 15 (šírka) × 12 vrstiev (výška). Obkladová vrstva má dobrý tvarovací efekt, hladký povrch, žiadne makro defekty, ako sú praskliny a netavenie, a zjavná vertikálna výška. Makroskopická morfológia plátovacej vrstvy je znázornená na obrázku 2. Počas viacvrstvového experimentu s plátovaním laserovým drôtom s viacerými prechodmi spôsobí proces plátovania druhej vrstvy pretavovaciu reakciu na predchádzajúcej plátovacej vrstve, výsledkom čoho je prúdenie smerom nadol pri okraj obkladovej vrstvy. Zároveň bude počas procesu opláštenia v dôsledku určitého oneskorenia v pokynoch na spustenie a ukončenie výkonu laserového svetla výška okraja plátovacej vrstvy o niečo nižšia ako stredná časť.

Obrázok 3 ukazuje morfológiu prierezu viacvrstvovej viacpriechodovej laserovej plátovacej vrstvy. Neboli nájdené žiadne defekty ako póry, praskliny a inklúzie. Medzi obkladovým kovom a základným materiálom sa vytvorila hustá metalurgická väzba. Zjavná bola vertikálna výška a hrúbka obkladovej vrstvy bola 11.5 mm.

2.2 Analýza mikroštruktúry obkladovej vrstvy
Chladenie zvarového kúpeľa je proces fázovej zmeny a mikroštruktúra fázovej zmeny závisí od chemického zloženia a podmienok chladenia zvarového kovu [11]. Mikroštruktúra každej oblasti obkladovej vrstvy bola pozorovaná pomocou metalografického mikroskopu, ako je znázornené na obrázku 4. Krycia vrstva zahŕňa obkladovú zónu (obalená zóna, CZ), prekryvnú zónu (olapovaná zóna, OZ), fázu zóna ovplyvnená prechodom (phase transition ovplyvnená zóna, PAZ), zóna fúzie (fusion zone, FZ), tepelne ovplyvnená zóna (teplom ovplyvnená zóna, HAZ) a základný kov (base metal, BM) [12]. Mikroštruktúra základného kovu pozostáva hlavne z feritu a malého množstva perlitu. Hlavný prvok Mn pridaný do ocele Q345B má nielen výrazný spevňujúci účinok na ferit, ale tiež znižuje teplotu prechodu húževnatosti a krehkosti, zvyšuje množstvo perlitu a zlepšuje pevnosť perlitu.

Obrázok 4 (a) ukazuje mikroštruktúru oblasti plášťa vo vnútri plášťovej vrstvy, ktorá je zložená z latového a ihličkovitého feritu, widmanstattenu a malého množstva lištového martenzitu. Vďaka rôznym vrstvám bude každá plátovacia vrstva vytvárať temperovací účinok na predchádzajúcu vrstvu, výsledkom čoho je rovnomerné zjemnenie zŕn a jasné hranice zŕn; Obrázky 4 (b) a (b-1) znázorňujú mikroštruktúru oblasti tavenia, ktorá je zložená z feritu a widmanstattenu s nerovnomerným rozložením zŕn; Obrázok 4 (d) zobrazuje mikroštruktúru oblasti prekrytia dvoch zvarov vo vnútri obkladovej vrstvy. Svetlá oblasť na obrázku je spojovacia čiara medzi dvoma zvarmi. Počas procesu chladenia bude roztavený kúpeľ vytvárať stĺpcový ferit pozdĺž smeru rozptylu tepla. Preto sa táto oblasť skladá hlavne zo stĺpcového feritu a malého množstva perlitu, ako je znázornené na obrázku 4 (d-1). Vďaka dvojitému tepelnému pôsobeniu má oblasť prekrytia rovnomernú zrnitosť; Obrázok Obrázok 4 (d-2) je oblasť ovplyvnená fázovou transformáciou, ktorá pozostáva hlavne z feritu a Widmanstattenu. Vplyvom tepla fázovej transformácie je veľkosť zrna tejto oblasti o niečo väčšia ako veľkosť prekrytej oblasti; Obrázok 4 (e-1) je mikroštruktúra tepelne ovplyvnenej zóny. Počas procesu zvárania sa spodná oblasť plášťa podrobuje temperovaniu, vďaka čomu je štruktúra tejto oblasti zjemnená a rozloženie zrna je rovnomerné. Skladá sa hlavne z jemnozrnného feritu a malého množstva perlitu. Jemnozrnný ferit je produkt transformácie medzi feritom a bainitom. Je to výhodná mikroštruktúra pri zváraní metalurgickým procesom [11].

Obrázok 5 je mikroštruktúra poslednej obkladovej vrstvy. Táto vrstva nie je vystavená sekundárnemu laserovému ohrevu. V porovnaní s inými vrstvami dokáže zachovať pôvodnú morfológiu štruktúry. Jeho zrnitosť je rovnomerná a štruktúra je hustá. Pozostáva hlavne z feritu, Widmanstattenu a lištového martenzitu.

2.3 XRD a EDS analýza obkladovej vrstvy
Aby sa analyzovalo fázové zloženie laserovej plátovacej vrstvy, bola rezaním drôtom narezaná vzorka s veľkosťou 10 mm x 10 mm x 8 mm a po brúsení a leštení bola vykonaná röntgenová difrakčná testovacia analýza. Obrázok 6 ukazuje XRD spektrum viacvrstvovej viacpriechodovej laserovej plátovacej vrstvy a základného materiálu. Kombináciou výsledkov mikroštruktúry a XRD spektra je možné vidieť, že obkladová vrstva je zložená hlavne z veľkého množstva feritu, časti martenzitu a widmanstattenitu a neobjavujú sa žiadne iné škodlivé fázy. Pretože stĺpcový ferit sa vytvorí v procese chladenia roztaveného bazéna na laserové plátovanie, plátovacia vrstva obsahuje veľké množstvo feritu. Keď je tepelný príkon lasera počas procesu zvárania veľký, mikroštruktúra povlakovej vrstvy do určitej miery zhrubne a zväčší sa veľkosť zrna. V tomto čase sa štruktúra bude javiť ako prehriaty widmanstattenit a lištový martenzit a tieto dve štruktúry sú usporiadané.

Chemické zloženie sa analyzovalo bodovým skenovaním v rôznych polohách prierezu vzorky. Polohy bodového skenovania sú znázornené na obrázku 7 a výsledky EDS analýzy rôznych oblastí sú uvedené v tabuľke 3. V dôsledku vysokého obsahu prvkov Cr a Ni vo zváracom drôte je obsah Cr a Ni v plátovacej vrstve výrazne vyšší. vyššia ako u základného materiálu, vďaka čomu je odolnosť obkladovej vrstvy proti korózii lepšia ako odolnosť základného materiálu.

2.4 Analýza mikrotvrdosti obkladovej vrstvy
Merala sa mikrotvrdosť vzorky. Počas testu bolo zaťaženie 1000 g, čas zdržania bol 10 s, dráha merania bola v smere od základného materiálu k oblasti plášťa a interval medzi dvoma susednými odbernými miestami bol 1 mm. Distribúcia mikrotvrdosti od základného materiálu k oblasti plášťa je znázornená na obrázku 8. Priemerná mikrotvrdosť základného materiálu je 172.02 HV a priemerná mikrotvrdosť plášťovej vrstvy je 320.13 HV. Mikroštruktúra poslednej obkladovej vrstvy obsahuje veľké množstvo feritu, widmanstattenitu a malé množstvo lištového martenzitu a perlitu. Hodnota tvrdosti tejto oblasti mikroštruktúry je najvyššia, čo je 325.92 HV. Priemerná tvrdosť obkladovej vrstvy je oveľa vyššia ako u základného materiálu, čím spĺňa požiadavky na pevnosť pri oprave. Ako je znázornené na obrázku 8, tvrdosť oblasti obloženia je vo všeobecnosti rozložená stupňovito. Je to preto, že v procese viacvrstvového a viacpriechodového laserového výplne drôtom bude mať každá obkladová vrstva počas procesu vytvárania predchádzajúcu vrstvu temperovaním po zahriatí a predhrievajúcou efektom nasledujúcu vrstvu. Posledná obkladová vrstva má predhrievací účinok bez temperovania po zahrievaní, čo podporuje rovnomerné zjemnenie zrna a výrazne zlepšuje tvrdosť.

2.5 Analýza koróznej odolnosti obkladovej vrstvy
Väčšina korózie kovov sa uskutočňuje vo forme elektrochemickej korózie a proces korózie je sprevádzaný generovaním prúdu, rovnako ako primárna batéria [13-14]. Aby sa otestovala elektrochemická korózna výkonnosť viacvrstvovej a viacpriechodovej obalovej vrstvy, vzorka sa umiestnila do 3.5 % roztoku NaCl, aby sa otestovala jej Tafelova polarizačná krivka a impedančné spektrum.

Polarizačné krivky obkladovej vrstvy a základného materiálu sú znázornené na obrázku 9. Je vidieť, že polarizačná krivka obkladovej vrstvy má pasivačnú oblasť, čo naznačuje, že sa na povrchu obkladovej vrstvy počas proces korózie. Prvky ako Cr, Ni a Si v oxidovom filme zlepšujú pasivačnú stabilitu, bránia difúzii iónov a zlepšujú odolnosť proti korózii. Samokorózny potenciál Ecorr a samokorózna prúdová hustota Icorr obkladovej vrstvy a základného materiálu sa získajú prispôsobením údajov, ako je uvedené v tabuľke 4. Samokorózny potenciál Ecorr kovu v roztoku elektrolytu odráža jeho citlivosť na korózii a je indikátorom odolnosti materiálu voči elektrochemickej korózii. Čím menší je potenciál vlastnej korózie, tým ľahšie kov stráca elektróny a tým je jeho odolnosť proti korózii slabšia; čím väčší je potenciál vlastnej korózie, tým ťažšie je pre kov stratiť elektróny a tým silnejšia je jeho odolnosť proti korózii[14]. Ako je možné vidieť z tabuľky 4, potenciál vlastnej korózie obkladovej vrstvy je vyšší ako potenciál základného materiálu, čo naznačuje, že obkladová vrstva má silnú odolnosť proti korózii. Hustota samokorózneho prúdu Icorr je úmerná rýchlosti korózie. Čím väčší je korózny prúd, tým rýchlejšia je rýchlosť korózie materiálu a tým horšia je odolnosť voči korózii. Ako je možné vidieť z údajov v tabuľke 4, samokorózny prúd základného materiálu je vyšší ako prúd obkladovej vrstvy, čo naznačuje, že odolnosť základného materiálu proti korózii je nízka. Porovnaním veľkosti potenciálu vlastnej korózie a samokorózneho prúdu možno preto usúdiť, že odolnosť obkladovej vrstvy proti korózii je lepšia ako odolnosť základného materiálu.

Plášťová vrstva a základný materiál boli testované impedančnou spektroskopiou (EIS) a Nyquistove grafy impedančného spektra týchto dvoch vzoriek sú znázornené na obrázku 10. Z' a Z” sú skutočné a imaginárne časti nameranej impedancie Z, resp. . Obkladová vrstva aj základný materiál predstavujú jednu kapacitnú oblúkovú charakteristiku. Čím väčší je polomer kapacitného oblúka, tým väčšia je celková impedancia vzorky a tým silnejšia je odolnosť proti korózii. Ako je znázornené na obrázku 10, kapacitný polomer oblúka obkladovej vrstvy je podstatne väčší ako polomer základného materiálu. Preto je polarizačný odpor obkladovej vrstvy väčší, čo naznačuje, že rýchlosť korózie obkladovej vrstvy je nižšia a odolnosť proti korózii je silnejšia, čo je v súlade s výsledkami krivky polarizácie dynamického potenciálu.

Stručne povedané, odolnosť obkladovej vrstvy proti korózii je lepšia ako odolnosť základného materiálu. Po prvé, obkladový materiál používa zvárací drôt AFEW6-86, ktorý má vyšší obsah Cr a Ni ako základný materiál, takže obkladová vrstva má vyššiu odolnosť proti oxidácii a korózii. V korozívnom prostredí, keď Cr reaguje s O prvkami, sa na povrchu vytvorí vrstva oxidu odolného voči korózii, ktorá oddelí kovový povrch od korózneho média, zníži proces rozpúšťania anódy a zníži rozpúšťanie. rýchlosť obkladového kovu, čím sa zlepší odolnosť obkladovej vrstvy proti korózii. Odolnosť proti korózii je zlepšená[15-16]. Druhým dôvodom je, že rozdelenie veľkosti zŕn v obkladovej vrstve je rovnomernejšie v dôsledku zvýšenia tepelného príkonu.

Záver 3
(1) Obkladová vrstva získaná viacvrstvovou a viacvrstvovou metódou proces zvárania laserovým drôtom má dobrú makroskopickú formáciu, nemá žiadne zjavné defekty, ako sú póry a praskliny, a medzi obkladovou vrstvou a základným materiálom sa vytvorí dobrá metalurgická väzba. Dochádza k výraznému vertikálnemu hromadeniu a hrúbka obkladovej vrstvy je 11.5 mm.
(2) Obkladová vrstva pozostáva hlavne z feritu, widmanstattenu a lištového martenzitu. Obsah Cr a Ni v obkladovej vrstve je vyšší ako v základnom materiáli. Prvky Cr a Ni zlepšujú stabilitu pasivačného filmu, bránia difúzii iónov a zlepšujú odolnosť proti oxidácii a korózii obkladovej vrstvy. Navyše v dôsledku zvýšenia tepelného príkonu je rozdelenie veľkosti zŕn v obkladovej vrstve rovnomernejšie, takže odolnosť obkladovej vrstvy proti korózii je lepšia ako u základného materiálu.
(3) Priemerná tvrdosť základného materiálu je 172.02 HV a priemerná tvrdosť obkladovej vrstvy je 320.13 HV, tvrdosť obkladovej vrstvy je oveľa vyššia ako tvrdosť základného materiálu. Vplyvom mikroštruktúry a zrnitosti vykazuje tvrdosť oblasti plášťa ako celok stupňovitý distribučný trend.