Метода унакрсног ортогоналног слагања коришћена је за извођење вишеслојних и вишепролазних облагање ласерском жицом на плочи од нискоугљичног челика К20Б дебљине 345 мм, а проучавана је макроскопска морфологија, микроструктура, фазни састав, микротврдоћа и отпорност на корозију слоја облоге. Резултати показују да слој облоге добијен вишеслојним и вишепролазним процесом пуњења ласерском жицом има добру макроскопску формацију и нема очигледних недостатака као што су поре и пукотине; обложни слој се углавном састоји од зона облагања, зона преклапања, зона утицаја промене фазе, зона фузије и зона утицаја топлоте; структура матичног материјала је углавном ферит и перлит, а микроструктура слоја облоге је углавном ферит, видманштатен и мартензит; због утицаја микроструктуре и величине зрна, тврдоћа обложног слоја је у целини степенаста, а просечна тврдоћа обложног слоја је 320.13 ХВ, што је више од тврдоће матичног материјала; у 3.5% раствору НаЦл, поларизациона крива слоја омотача показује пасивни регион, а његова отпорност на корозију је боља од оне код матичног материјала. Вишеслојни и вишепролазни процес облагања ласерским пуњењем жице може испунити захтеве припреме слојева облоге у стварном инжењерингу.
Кључне речи: К345Б нискоугљенични челик; облагање ласерском жицом; унакрсно ортогонално слагање; микроструктура и својства

Са развојем привреде и друштва, потражња моје земље за морским ресурсима нафте и гаса наставља да расте. Фокусирање на истраживање и развој морских ресурса је практична потреба за развој нафтне индустрије моје земље [1-2]. Због сложеног услужног окружења поморских инжењерских структура, оне су подложније оштећењима од традиционалних структура. Стога је свакодневно одржавање бродске инжењерске опреме постало кључно питање које треба хитно решити [3]. Челик К345Б је нисколегирани челик високе чврстоће са добрим свеобухватним својствима и одличном заварљивошћу. Широко се користи у поморском инжењерству и мостоградњи [4].

Као напредна технологија заштитних и поправних премаза, ласерско облагање обезбеђује ефикасан процес формирања облика скоро мреже за високо прецизну поправку кључних делова и припрему премаза са напредним својствима материјала [5]. Током вишеслојног и вишепролазног процеса облагања, топлотно погођене зоне суседних заварених спојева се преклапају, формирајући подручја која су претрпела два или више термичких циклуса. Микроструктура ових подручја је посебно сложена [6], а фаза састава микроструктуре, брзина рекристализације, скала талога и морфологија инклузије се континуирано мењају током процеса [7]. Због тога, током вишеслојног и вишепролазног процеса облагања, често постоје слабе тачке у подручју облагања, које су склоне квару током употребе. На пример, електролитичка корозија и корозија под напоном се често примећују у близини заварених спојева посуда под притиском током употребе [8].

Ву ет ал. [9] користи технологија ласерског облагања за припрему континуираног и густог Мо2НиБ2 обложног слоја на челичној подлози. Премаз има високу тврдоћу, добру отпорност на хабање и отпорност на корозију, побољшава перформансе подлоге и осигурава сигуран и стабилан сервис бродске инжењерске опреме. Ли ет ал. [10] користио је ласерску жичану облогу да поправи кородиране делове површине од нерђајућег челика 316Л и добио је вишеслојни вишепролазни слој облоге од нерђајућег челика 308Л. Премаз се углавном састоји од аустенита и мале количине ферита, са затезном чврстоћом и издужењем од 548МПа и 40%, респективно, што је око 86% и 74% подлоге.

У овом раду, технологија облагања ласерске жице користи се за припрему слоја ласерске облоге К345Б попречним ортогоналним слагањем. Проучавају се макроскопска морфологија, микроструктура, фазни састав, микротврдоћа и отпорност на корозију вишеслојног вишепролазног слоја облоге, што представља основу за ремонт бродских инжењерских конструкција на лицу места.

1 Експеримент са облагањем ласерске жице

1.1 Експериментални материјали

Експериментални материјал подлоге је угљенични челик К345Б, а материјал за облагање жице је жица од легираног челика АФЕВ6-86 пречника 1.2 мм. Хемијски састав ова два је приказан у табели 1.

1.2 Вишеслојни и вишепролазни процес облагања ласерске жице
У стварним инжењерским апликацијама, на радни предмет ће утицати силе у различитим правцима током рада, тако да треба узети у обзир утицај анизотропије. Да би се смањио утицај анизотропије, планирана је путања обложног слоја, адитивни правац завара у истом слоју је конзистентан, правци шавова у суседним слојевима за слагање су управни један на други, а слојеви су ортогоналне. Његова унакрсно-ортогонална путања слагања приказана је на слици 1.

Током експеримента са облогом, заштитни гас је чисти гас аргон са чистоћом гаса од 99.99%. Прво, ортогонални експеримент је спроведен коришћењем методе једнослојног једнослојног облагања како би се истражили оптимални процесни параметри за облагање са једним пролазом; затим је коришћена метода вишеслојног једнопролазног слагања за проучавање утицаја висине дизања између слојева на квалитет формирања вара и добијен је вишеслојни једнопролазни шав са равним слојем облоге и добрим ефектом обликовања. На основу наведеног, проучаван је утицај различитих брзина преклапања на квалитет формирања обложног слоја и утврђено је да је када је стопа преклапања износила 40% висина између сваког пролаза обложног слоја била релативно уједначена, тј. површинска формација је била релативно равна, а металуршка веза између сваког пролаза била је најјача. Висина подизања између експерименталних слојева је 0.8 мм за сваки од прва два слоја и 0.7 мм за сваки од следећих слојева. Специфични експериментални параметри су приказани у табели 2.

1.3 Метода анализе и испитивања слоја облоге
Резање жице је коришћено за сечење металографских узорака из припремљеног вишеслојног и вишепролазног слоја облоге. Површина узорка је брушена након што је уметнута епоксидном смолом на собној температури. За полирање је коришћен брусни папир различите храпавости све док није остала огреботина. Затим је узорак полиран машином за полирање да би се добио металографски пресек узорка са ефектом огледала. Узорак је кородиран са 4% раствором алкохола азотне киселине да би се изгризла видљива површина слоја омотача, испран алкохолом и осушен, а микроструктура узорка је посматрана металографским микроскопом; фазни састав и еволуција слоја омотача су скенирани и анализирани у опсегу од 30°~100° коришћењем технологије дифракције рендгенских зрака; анализа хемијских елемената обложног слоја извршена је помоћу енергетског спектрометра; микротврдоћа различитих области попречног пресека слоја облоге је тестирана помоћу ХВС-1000З Вицкерс тестера тврдоће; криве поларизације и спектри импедансе слоја омотача и основног материјала су тестирани у 3.5% раствору НаЦл коришћењем ВерсаСТАТ 3Ф електрохемијске радне станице са засићеном каломел електродом као референтном електродом и платинском електродом као помоћном електродом, и њихова отпорност на корозију је упоређен и анализиран.

2 Експериментални резултати и анализа
2.1 Макроморфолошка анализа слоја облоге
Слој облоге испуњен ласерском жицом припремљен је експериментом унакрсног ортогоналног слагања од 29 (дужина) × 15 (ширина) × 12 слојева (висина). Слој облоге има добар ефекат формирања, глатку површину, нема макро дефеката као што су пукотине и нерасположене, и очигледну вертикалну висину. Макроскопска морфологија слоја омотача приказана је на слици 2. Током експеримента вишеслојног вишеслојног вишепролазног експеримента са облагањем ласерском жицом, процес облагања последњег слоја ће произвести реакцију поновног топљења на претходном слоју облоге, што ће резултирати силазним током на ивица обложног слоја. Истовремено, током процеса облагања, због одређеног кашњења у почетној и крајњој инструкцији излаза ласерске светлости, висина ивице слоја облоге биће нешто нижа од средњег дела.

Слика 3 приказује морфологију попречног пресека вишеслојног вишепролазног слоја ласерске облоге. Нису пронађени дефекти као што су поре, пукотине и инклузије. Између метала облоге и основног материјала формирана је густа металуршка веза. Постојала је очигледна вертикална висина, а дебљина слоја облоге била је 11.5 мм.

2.2 Анализа микроструктуре слоја облоге
Хлађење базена за заваривање је процес промене фазе, а микроструктура промене фазе зависи од хемијског састава и услова хлађења метала шава [11]. Микроструктура сваке области обложног слоја посматрана је металографским микроскопом, као што је приказано на слици 4. Обложни слој обухвата зону облоге (обложена зона, ЦЗ), зону преклапања (зона преклапања, ОЗ), фазу зона погођена транзицијом (зона погођена фазним прелазом, ПАЗ), зона фузије (зона фузије, ФЗ), зона погођена топлотом (зона погођена топлотом, ХАЗ) и основни метал (основни метал, БМ) [12]. Микроструктура основног метала углавном се састоји од ферита и мале количине перлита. Главни елемент Мн који је додат челику К345Б не само да има значајан ефекат јачања на ферит, већ и смањује температуру прелаза жилавост-кртост, повећава количину перлита и побољшава снагу перлита.

Слика 4 (а) приказује микроструктуру површине омотача унутар слоја облоге, који се састоји од летве и игличастог ферита, видманштатена и мале количине летвастог мартензита. Због различитих слојева, сваки слој облагања ће произвести ефекат каљења на претходни слој, што ће резултирати уједначеним пречишћавањем зрна и јасним границама зрна; Слике 4 (б) и (б-1) приказују микроструктуру подручја фузије, које се састоји од ферита и видманстатена са неуједначеном дистрибуцијом зрна; Слика 4 (д) приказује микроструктуру површине преклапања два завара унутар слоја облоге. Светла област на слици је линија спајања између два завара. Током процеса хлађења, растопљени базен ће формирати колонасти ферит дуж правца дисипације топлоте. Стога је ово подручје углавном састављено од стубастог ферита и мале количине перлита, као што је приказано на слици 4 (д-1). Због двоструког термичког дејства, површина преклапања има уједначено префињеност зрна; Слика 4 (д-2) је област захваћена фазном трансформацијом, која се углавном састоји од ферита и Видманштатена. Због утицаја топлоте фазне трансформације, величина зрна ове области је нешто већа од површине преклапања; Слика 4 (е-1) је микроструктура зоне захваћене топлотом. Током процеса заваривања, доњи део облоге је подвргнут каљењу, што чини структуру овог подручја рафинираном и равномерном расподелом зрна. Углавном се састоји од финозрног ферита и мале количине перлита. Фино зрнасти ферит је производ трансформације између ферита и беинита. То је корисна микроструктура у металуршком процесу заваривања [11].

Слика 5 је микроструктура последњег слоја облоге. Овај слој није подвргнут ласерском секундарном загревању. У поређењу са другим слојевима, може задржати оригиналну морфологију структуре. Његова величина зрна је уједначена, а структура густа. Углавном се састоји од ферита, Видманштатена и летвастог мартензита.

2.3 КСРД и ЕДС анализа слоја облоге
У циљу анализе фазног састава слоја ласерске облоге, узорак величине 10 мм×10 мм×8 мм је исечен жицом, а након брушења и полирања извршена је рендгенска дифракциона анализа. Слика 6 приказује КСРД спектар вишеслојног вишепролазног слоја ласерске облоге и основног материјала. Комбинујући резултате микроструктуре и КСРД спектра, може се видети да је слој омотача углавном састављен од велике количине ферита, дела мартензита и видманстаттенита, и да се не појављују друге штетне фазе. Пошто ће се колонасти ферит формирати у процесу хлађења растопљеног базена за ласерско облагање, слој облоге садржи велику количину ферита. Када је унос топлоте ласера ​​велики током процеса заваривања, микроструктура слоја облоге ће се у одређеној мери груби, а величина зрна ће се повећати. У овом тренутку, структура ће се појавити прегрејани видманстаттенит и летви мартензит, а две структуре су поређане.

Хемијски састав је анализиран тачком скенирања на различитим позицијама попречног пресека узорка. Положаји скенирања тачака приказани су на слици 7, а резултати ЕДС анализе различитих области приказани су у табели 3. Због високог садржаја Цр и Ни елемената у жици за заваривање, садржај Цр и Ни у слоју омотача је значајно већа од оне код матичног материјала, што чини отпорност слоја облоге на корозију бољом од оне матичног материјала.

2.4 Анализа микротврдоће слоја облоге
Измерена је микротврдоћа узорка. Током испитивања, оптерећење је било 1000 г, време држања 10 с, пут мерења је био дуж правца од матичног материјала до површине облоге, а интервал између две суседне тачке узорковања био је 1 мм. Расподела микротврдоће од матичног материјала до површине омотача приказана је на слици 8. Просечна микротврдоћа основног материјала је 172.02 ХВ, а просечна микротврдоћа обложног слоја је 320.13 ХВ. Микроструктура последњег обложног слоја садржи велику количину ферита, видманстаттенита и малу количину летвастог мартензита и перлита. Вредност тврдоће овог подручја микроструктуре је највећа и износи 325.92ХВ. Просечна тврдоћа слоја облоге је много већа од тврдоће основног материјала, испуњавајући захтеве чврстоће поправке. Као што је приказано на слици 8, ​​тврдоћа површине облоге је генерално распоређена на степенаст начин. То је зато што ће у процесу вишеслојног и вишепролазног пуњења ласерском жицом, сваки слој облагања имати ефекат каљења након загревања на претходни слој током процеса формирања, а ефекат предгревања на следећи слој. Последњи слој облоге има ефекат предгревања без накнадног каљења, што промовише равномерно пречишћавање зрна и значајно побољшава тврдоћу.

2.5 Анализа отпорности слоја облоге на корозију
Већина корозије метала се одвија у облику електрохемијске корозије, а процес корозије је праћен стварањем струје, баш као и примарна батерија [13-14]. Да би се тестирале перформансе електрохемијске корозије вишеслојног и вишепролазног слоја облоге, узорак је стављен у 3.5% раствор НаЦл да би се тестирала његова Тафелова крива поларизације и спектар импедансе.

Криве поларизације слоја облоге и основног материјала приказане су на слици 9. Може се видети да крива поларизације слоја омотача има регион пасивације, што указује да се на површини слоја омотача формира густ оксидни филм током процес корозије. Елементи као што су Цр, Ни и Си у оксидном филму побољшавају стабилност пасивности, ометају дифузију јона и побољшавају отпорност на корозију. Потенцијал самокорозије Ецорр и густина струје самокорозије Ицорр слоја омотача и основног материјала добијају се уклапањем података, као што је приказано у табели 4. Потенцијал самокорозије Ецорр метала у раствору електролита одражава његову осетљивост на корозију и показатељ је отпорности материјала на електрохемијску корозију. Што је мањи потенцијал самокорозије, то је металу лакше да изгуби електроне и слабија је његова отпорност на корозију; што је већи потенцијал самокорозије, то је металу теже да губи електроне и већа је његова отпорност на корозију[14]. Као што се може видети из табеле 4, потенцијал самокорозије слоја облоге је већи од потенцијала основног материјала, што указује на то да слој омотача има јаку отпорност на корозију. Густина струје самокорозије Ицорр је пропорционална брзини корозије. Што је струја корозије већа, то је бржа стопа корозије материјала и лошија отпорност на корозију. Као што се може видети из података у табели 4, струја самокорозије основног материјала је већа од струје обложног слоја, што указује да је отпорност основног материјала на корозију лоша. Дакле, упоређивањем величине потенцијала самокорозије и струје самокорозије, може се закључити да је отпорност на корозију слоја облоге боља од отпорности основног материјала.

Слој облоге и основни материјал тестирани су спектроскопијом импедансе (ЕИС), а дијаграми спектра импедансе Најквист за два узорка су приказани на слици 10. З' и З" су стварни и имагинарни делови измерене импедансе З, респективно. . И слој облоге и основни материјал представљају једну капацитивну карактеристику лука. Што је већи радијус капацитивног лука, већа је укупна импеданса узорка и јача је отпорност на корозију. Као што је приказано на слици 10, полупречник капацитивног лука слоја облоге је знатно већи од полупречника основног материјала. Због тога је отпор поларизације слоја омотача већи, што указује да је брзина корозије слоја омотача нижа, а отпорност на корозију јача, што је у складу са резултатима криве поларизације динамичког потенцијала.

Укратко, отпорност на корозију слоја облоге је боља од отпорности основног материјала. Прво, материјал за облагање користи АФЕВ6-86 жицу за заваривање, која има већи садржај Цр и Ни од основног материјала, тако да слој облоге има већу отпорност на оксидацију и отпорност на корозију. У корозивном окружењу, када Цр реагује са О елементима, на површини ће се формирати слој оксидног филма отпорног на корозију, који ће одвојити површину метала од корозивног медија, смањити процес растварања аноде и смањити растварање. брзина метала облоге, чиме се побољшава отпорност слоја облоге на корозију. Отпорност на корозију је побољшана[15-16]. Други разлог је тај што је дистрибуција величине зрна у слоју облоге равномернија због повећања уноса топлоте.

КСНУМКС Закључак
(1) Обложни слој добијен вишеслојним и вишепролазним процес ласерског заваривања жице има добру макроскопску формацију, нема очигледних недостатака као што су поре и пукотине, а формира се добра металуршка веза између слоја облоге и основног материјала. Постоји значајно вертикално нагомилавање, а дебљина слоја облоге је 11.5 мм.
(2) Обложни слој се углавном састоји од ферита, видманштатена и летвастог мартензита. Садржај Цр и Ни у слоју облоге је већи од садржаја у матичном материјалу. Цр и Ни елементи побољшавају стабилност пасивирајућег филма, ометају дифузију јона и побољшавају отпорност на оксидацију и корозију слоја облоге. Поред тога, због повећања уноса топлоте, дистрибуција величине зрна у слоју облоге је уједначенија, тако да је отпорност на корозију слоја облоге боља од оне матичног материјала.
(3) Просечна тврдоћа матичног материјала је 172.02ХВ, а просечна тврдоћа обложног слоја је 320.13ХВ, тврдоћа слоја облоге је много већа од тврдоће матичног материјала. Због утицаја микроструктуре и величине зрна, тврдоћа површине облоге показује степенасти тренд расподеле у целини.