Den kors ortogonala staplingsmetoden användes för att utföra flerskikts- och flerpassage lasertrådsbeklädnad på en 20 mm tjock Q345B stålplåt med låg kolhalt och beklädnadslagrets makroskopiska morfologi, mikrostruktur, fassammansättning, mikrohårdhet och korrosionsbeständighet studerades. Resultaten visar att kapslingsskiktet som erhålls genom flerskikts- och multi-pass lasertrådsfyllningsprocessen har god makroskopisk formation och inga uppenbara defekter såsom porer och sprickor; beklädnadslagret består huvudsakligen av beklädnadszon, överlappningszon, fasförändringspåverkad zon, smältzon och värmepåverkad zon; modermaterialets struktur är huvudsakligen ferrit och perlit, och beklädnadsskiktets mikrostruktur är huvudsakligen ferrit, widmanstatten och martensit; på grund av påverkan av mikrostruktur och kornstorlek, är hårdheten hos beklädnadslagret övergripande stegvis, och den genomsnittliga hårdheten hos beklädnadslagret är 320.13 HV, vilket är högre än för modermaterialet; i 3.5 % NaCl-lösning visar polarisationskurvan för kapslingsskiktet ett passiveringsområde, och dess korrosionsbeständighet är bättre än för modermaterialet. Flerskikts- och multi-pass lasertrådsfyllningsprocessen kan uppfylla förberedelsekraven för beklädnadslager i verklig konstruktion.
Nyckelord: Q345B lågkolhaltigt stål; lasertrådsbeklädnad; kors ortogonal stapling; mikrostruktur och egenskaper

Med utvecklingen av ekonomin och samhället fortsätter mitt lands efterfrågan på marina olje- och gasresurser att öka. Att fokusera på utforskning och utveckling av marina resurser är ett praktiskt behov för utvecklingen av mitt lands petroleumindustri [1-2]. På grund av den komplexa servicemiljön för marintekniska strukturer är de mer mottagliga för skador än traditionella strukturer. Därför har det dagliga underhållet av marinteknisk utrustning blivit en nyckelfråga som måste lösas snarast [3]. Q345B stål är ett låglegerat höghållfast stål med goda heltäckande egenskaper och utmärkt svetsbarhet. Det används ofta inom marinteknik och brokonstruktion [4].

Som en avancerad teknik för skyddande och reparationsbeläggning ger laserbeklädnad en effektiv formningsprocess för nästan nätform för högprecisionsreparation av nyckeldelar och förberedelse av beläggningar med avancerade materialegenskaper [5]. Under flerskikts- och flerpassage-beklädnadsprocessen överlappar de värmepåverkade zonerna av intilliggande svetsar och bildar områden som har genomgått två eller flera termiska cykler. Mikrostrukturen i dessa områden är särskilt komplex [6], och mikrostrukturens sammansättningsfas, omkristallisationshastighet, fällningsskala och inklusionsmorfologi förändras kontinuerligt under hela processen [7]. Under beklädnadsprocessen med flera skikt och flerpassage finns det därför ofta svaga punkter i beklädnadsområdet, som är benägna att gå sönder under användning. Till exempel observeras elektrolytisk korrosion och spänningskorrosion ofta nära tryckkärls svetsfogar under användning [8].

Wu et al. [9] används laserbeklädnadsteknik för att förbereda ett kontinuerligt och tätt Mo2NiB2-beklädnadsskikt på ett stålsubstrat. Beläggningen har hög hårdhet, god slitstyrka och korrosionsbeständighet, förbättrar substratets prestanda och säkerställer säker och stabil service av marinteknisk utrustning. Li et al. [10] använde lasertrådsbeklädnad för att reparera de korroderade delarna av ytan av 316L rostfritt stål och erhöll ett flerskiktsbeklädnadsskikt av 308L rostfritt stål. Beläggningen består huvudsakligen av austenit och en liten mängd ferrit, med en draghållfasthet och töjning på 548MPa respektive 40%, vilket är cirka 86% och 74% av underlaget.

I detta papper, lasertrådsbeklädnadsteknik används för att förbereda Q345B laserbeklädnadsskikt genom tvär ortogonal stapling. Den makroskopiska morfologin, mikrostrukturen, fassammansättningen, mikrohårdheten och korrosionsbeständigheten hos flerskiktsbeklädnadslagret studeras, vilket ger en grund för reparation på plats av marintekniska strukturer.

1 Experiment med lasertrådsbeklädnad

1.1 Experimentmaterial

Det experimentella substratmaterialet är Q345B kolstål, och trådbeklädnadsmaterialet är AFEW6-86 legerat ståltråd med en diameter på 1.2 mm. Den kemiska sammansättningen av de två visas i tabell 1.

1.2 Beklädnadsprocess för lasertråd med flera lager och flerpass
I verkliga tekniska tillämpningar kommer arbetsstycket att påverkas av krafter i olika riktningar under drift, så inverkan av anisotropi måste beaktas. För att minska påverkan av anisotropi planeras beklädnadslagrets väg, den additiva riktningen för svetsarna i samma lager är konsekvent, riktningarna för svetsarna i intilliggande staplingslager är vinkelräta mot varandra, och lagren är ortogonal. Dess tvär-ortogonala staplingsbana visas i figur 1.

Under kapslingsexperimentet är skyddsgasen ren argongas med en gasrenhet på 99.99 %. Först utfördes ett ortogonalt experiment med användning av en enkelskiktsbeklädnadsmetod för att utforska de optimala processparametrarna för enkelpassagebeklädnad; sedan användes en flerskikts enkelpassagestaplingsmetod för att studera inverkan av lyfthöjden mellan skikten på svetsformningskvaliteten, och en flerskikts enkelpasssvets med rakt beklädnadsskikt och god formningseffekt erhölls. På basis av ovanstående studerades påverkan av olika överlappningshastigheter på formningskvaliteten hos beklädnadslagret, och det visade sig att när överlappningshastigheten var 40 %, var höjden mellan varje passage av beklädnadslagret relativt enhetlig, ytbildningen var relativt platt, och den metallurgiska bindningen mellan varje pass var starkast. Lyfthöjden mellan experimentlagren är 0.8 mm för vart och ett av de två första lagren och 0.7 mm för vart och ett av de efterföljande lagren. De specifika experimentella parametrarna visas i tabell 2.

1.3 Analys- och provningsmetod för beklädnadsskikt
Trådskärning användes för att skära metallografiska prover från det förberedda flerskikts- och flerpassagebeklädnadsskiktet. Provytan maldes efter att ha inbäddats med epoxiharts vid rumstemperatur. Sandpapper med olika grovhet användes för att polera tills inga repor fanns kvar. Därefter polerades provet med en polermaskin för att erhålla ett metallografiskt provtvärsnitt med en spegeleffekt. Provet korroderades med 4% salpetersyraalkohollösning för att etsa ut den synliga mantelskiktsgränsytan, sköljdes med alkohol och blåstes torrt, och provets mikrostruktur observerades med ett metallografiskt mikroskop; fassammansättningen och utvecklingen av kapslingsskiktet skannades och analyserades i intervallet 30°~100° med användning av röntgendiffraktionsteknologi; den kemiska elementanalysen av kapslingsskiktet utfördes med användning av en energispektrometer; mikrohårdheten för olika områden av beklädnadslagrets tvärsnitt testades med en HVS-1000Z Vickers hårdhetstestare; polarisationskurvorna och impedansspektra för kapslingsskiktet och modermaterialet testades i en 3.5 % NaCl-lösning med användning av en VersaSTAT 3F elektrokemisk arbetsstation med en mättad kalomelelektrod som referenselektrod och en platinaelektrod som hjälpelektrod, och deras korrosionsbeständighet jämfördes och analyserades.

2 Experimentella resultat och analys
2.1 Makromorfologisk analys av beklädnadsskikt
Det lasertrådsfyllda beklädnadsskiktet preparerades genom ett tvär-ortogonalt staplingsexperiment med 29 (längd) × 15 (bredd) × 12 lager (höjd). Beklädnadslagret har en bra formningseffekt, en slät yta, inga makrodefekter som sprickor och osmält samt uppenbar vertikal höjd. Den makroskopiska morfologin för beklädnadslagret visas i figur 2. Under experimentet med flerskiktslasertrådbeklädnad kommer beklädnadsprocessen för det senare skiktet att producera en omsmältningsreaktion på det föregående beklädnadslagret, vilket resulterar i ett nedåtgående flöde vid kl. beklädnadslagrets kant. Samtidigt, under beklädnadsprocessen, på grund av en viss fördröjning i start- och slutinstruktionerna för laserljusutgången, kommer höjden på kanten av beklädnadslagret att vara något lägre än mittdelen.

Figur 3 visar tvärsnittsmorfologin för flerskiktslaserbeklädnadslagret. Inga defekter som porer, sprickor och inneslutningar hittades. En tät metallurgisk bindning bildades mellan beklädnadsmetallen och basmaterialet. Det var uppenbar vertikal höjd och tjockleken på beklädnadslagret var 11.5 mm.

2.2 Mikrostrukturanalys av beklädnadsskikt
Kylningen av svetsbassängen är en fasförändringsprocess, och mikrostrukturen för fasförändringen beror på svetsmetallens kemiska sammansättning och kylförhållanden [11]. Mikrostrukturen för varje område av beklädnadsskiktet observerades med hjälp av ett metallografiskt mikroskop, som visas i figur 4. Beklädnadsskiktet inkluderar beklädnadszonen (beklädd zon, CZ), överlagringszonen (överlappad zon, OZ), fasen övergångspåverkad zon (fasövergångspåverkad zon, PAZ), fusionszonen (fusionszon, FZ), värmepåverkad zon (värmepåverkad zon, HAZ) och basmetallen (oädelmetall, BM) [12]. Basmetallens mikrostruktur består huvudsakligen av ferrit och en liten mängd perlit. Huvudelementet Mn som läggs till Q345B-stål har inte bara en betydande stärkande effekt på ferrit, utan minskar också övergångstemperaturen mellan seghet och sprödhet, ökar mängden perlit och förbättrar styrkan hos perlit.

Figur 4 (a) visar mikrostrukturen av beklädnadsområdet inuti beklädnadsskiktet, som är sammansatt av ribba och nålformad ferrit, widmanstatten och en liten mängd ribba martensit. På grund av de olika skikten kommer varje beklädnadsskikt att ge en härdande effekt på det föregående skiktet, vilket resulterar i enhetlig kornförfining och tydliga korngränser; Figurerna 4 (b) och (b-1) visar mikrostrukturen av fusionsområdet, som är sammansatt av ferrit och widmanstatten med ojämn kornfördelning; Figur 4 (d) visar mikrostrukturen för överlappningsområdet för två svetsar inuti beklädnadslagret. Det ljusa området i figuren är smältlinjen mellan de två svetsarna. Under kylningsprocessen kommer den smälta poolen att bilda kolumnformig ferrit längs värmeavledningsriktningen. Därför består detta område huvudsakligen av pelarferrit och en liten mängd perlit, som visas i figur 4 (d-1). På grund av den dubbla termiska verkan har överlappningsområdet enhetlig kornförfining; Figur Figur 4 (d-2) är det fastransformationspåverkade området, som huvudsakligen består av ferrit och Widmanstatten. På grund av inverkan av fasomvandlingsvärme är kornstorleken för detta område något större än den för överlappningsområdet; Figur 4 (e-1) är mikrostrukturen för den värmepåverkade zonen. Under svetsprocessen genomgår det nedre beklädnadsområdet härdning, vilket gör strukturen på detta område förfinad och kornfördelningen enhetlig. Den består huvudsakligen av finkornig ferrit och en liten mängd perlit. Finkornig ferrit är en omvandlingsprodukt mellan ferrit och bainit. Det är en fördelaktig mikrostruktur i den metallurgiska svetsprocessen [11].

Figur 5 är mikrostrukturen för det sista beklädnadslagret. Detta skikt utsätts inte för sekundär laseruppvärmning. Jämfört med andra lager kan den behålla den ursprungliga strukturens morfologi. Dess kornstorlek är enhetlig och strukturen är tät. Den består huvudsakligen av ferrit, Widmanstatten och lattmartensit.

2.3 XRD- och EDS-analys av beklädnadsskikt
För att analysera fassammansättningen av laserbeklädnadsskiktet skars ett prov med en storlek på 10 mm×10 mm×8 mm genom trådskärning och röntgendiffraktionstestanalys utfördes efter slipning och polering. Figur 6 visar XRD-spektrumet för flerskikts multi-pass laserbeklädnadsskikt och modermaterial. Genom att kombinera mikrostrukturen och XRD-spektrumresultaten kan man se att beklädnadslagret huvudsakligen består av en stor mängd ferrit, en del av martensit och widmanstattenit, och inga andra skadliga faser förekommer. Eftersom kolonnformad ferrit kommer att bildas i kylningsprocessen av laserbeklädnad av smält pool, innehåller beklädnadslagret en stor mängd ferrit. När laserns värmetillförsel är stor under svetsprocessen, kommer mikrostrukturen i beklädnadslagret att grövre till en viss utsträckning och kornstorleken ökar. Vid denna tidpunkt kommer strukturen att se överhettad widmanstattenit och lattmartensit, och de två strukturerna är förskjutna.

Den kemiska sammansättningen analyserades genom punktavsökning vid olika positioner av provets tvärsnitt. Punktavsökningspositionerna visas i figur 7, och EDS-analysresultaten för olika områden visas i tabell 3. På grund av det höga innehållet av Cr- och Ni-element i svetstråden är Cr- och Ni-innehållet i beklädnadslagret signifikant högre än för modermaterialet, vilket gör beklädnadsskiktets korrosionsbeständighet bättre än för modermaterialet.

2.4 Mikrohårdhetsanalys av beklädnadsskikt
Mikrohårdheten hos provet mättes. Under testet var belastningen 1000 g, hålltiden var 10 s, mätvägen var längs riktningen från modermaterialet till beklädnadsytan och intervallet mellan två intilliggande provtagningspunkter var 1 mm. Mikrohårdhetsfördelningen från modermaterialet till beklädnadsområdet visas i figur 8. Den genomsnittliga mikrohårdheten för modermaterialet är 172.02 HV och den genomsnittliga mikrohårdheten för beklädnadslagret är 320.13 HV. Det sista beklädnadslagrets mikrostruktur innehåller en stor mängd ferrit, widmanstattenit och en liten mängd lattmartensit och perlit. Hårdhetsvärdet för detta mikrostrukturområde är det högsta, vilket är 325.92HV. Den genomsnittliga hårdheten hos beklädnadslagret är mycket högre än för modermaterialet, vilket uppfyller kraven på reparationshållfasthet. Såsom visas i figur 8 är hårdheten hos beklädnadsytan generellt fördelad på ett stegliknande sätt. Detta beror på att i processen med flerskikts- och multi-pass lasertrådsfyllning kommer varje beklädnadsskikt att ha en eftervärmningseffekt på det föregående skiktet under bildningsprocessen och en förvärmningseffekt på nästa skikt. Det sista beklädnadslagret har en förvärmningseffekt utan eftervärmningshärdning, vilket främjar jämn kornförfining och avsevärt förbättrar hårdheten.

2.5 Analys av beklädnadsskiktets korrosionsbeständighet
Mest metallkorrosion utförs i form av elektrokemisk korrosion, och korrosionsprocessen åtföljs av generering av ström, precis som ett primärbatteri [13-14]. För att testa den elektrokemiska korrosionsprestandan hos flerskikts- och flerpassagebeklädnadsskiktet placerades provet i en 3.5 % NaCl-lösning för att testa dess Tafel-polarisationskurva och impedansspektrum.

Polarisationskurvorna för kapslingsskiktet och basmaterialet visas i figur 9. Det kan ses att polarisationskurvan för kapslingsskiktet har ett passiveringsområde, vilket indikerar att en tät oxidfilm bildas på ytan av kapslingsskiktet under korrosionsprocessen. Elementen som Cr, Ni och Si i oxidfilmen förbättrar passiveringsstabiliteten, hindrar diffusion av joner och förbättrar korrosionsbeständigheten. Självkorrosionspotentialen Ecorr och självkorrosionsströmtätheten Icorr för beklädnadsskiktet och basmaterialet erhålls genom datapassning, som visas i tabell 4. Självkorrosionspotentialen Ecorr för en metall i en elektrolytlösning återspeglar dess känslighet för korrosion och är en indikator på materialets motståndskraft mot elektrokemisk korrosion. Ju mindre självkorrosionspotentialen är, desto lättare är det för metallen att förlora elektroner och desto svagare är dess korrosionsbeständighet; ju större självkorrosionspotential, desto svårare är det för metallen att tappa elektroner och desto starkare är dess korrosionsbeständighet[14]. Som framgår av tabell 4 är beklädnadsskiktets självkorrosionspotential högre än basmaterialets, vilket indikerar att beklädnadsskiktet har stark korrosionsbeständighet. Självkorrosionsströmtätheten Icorr är proportionell mot korrosionshastigheten. Ju större korrosionsström, desto snabbare är korrosionshastigheten för materialet och desto sämre korrosionsbeständighet. Som framgår av data i tabell 4 är basmaterialets självkorrosionsström högre än beklädnadsskiktets, vilket indikerar att basmaterialets korrosionsbeständighet är dålig. Genom att jämföra storleken på självkorrosionspotentialen och självkorrosionsströmmen kan man därför dra slutsatsen att beklädnadsskiktets korrosionsbeständighet är bättre än basmaterialets.

Kapslingsskiktet och basmaterialet testades med impedansspektroskopi (EIS), och impedansspektrum Nyquist-diagrammen för de två proverna visas i figur 10. Z' och Z" är de verkliga och imaginära delarna av den uppmätta impedansen Z, respektive . Både beklädnadsskiktet och basmaterialet uppvisar en enda kapacitiv bågkarakteristik. Ju större den kapacitiva bågradien är, desto större är provets totala impedans och desto starkare är korrosionsbeständigheten. Såsom visas i figur 10 är kapacitiva bågaradien för kapslingsskiktet betydligt större än basmaterialets. Därför är polarisationsmotståndet för kapslingsskiktet större, vilket indikerar att korrosionshastigheten för kapslingsskiktet är lägre och korrosionsbeständigheten är starkare, vilket är i överensstämmelse med resultaten av den dynamiska potentialpolarisationskurvan.

Sammanfattningsvis är beklädnadslagrets korrosionsbeständighet bättre än basmaterialets. För det första använder beklädnadsmaterialet AFEW6-86 svetstråd, som har högre Cr- och Ni-innehåll än basmaterialet, så att beklädnadslagret har högre oxidationsbeständighet och korrosionsbeständighet. I en korrosiv miljö, när Cr reagerar med O-element, kommer ett lager av korrosionsbeständig oxidfilm att bildas på ytan, vilket kommer att separera metallytan från det korrosiva mediet, minska anodens upplösningsprocess och minska upplösningen beläggningsmetallens hastighet, vilket således förbättrar beklädnadsskiktets korrosionsbeständighet. Korrosionsbeständigheten förbättras[15-16]. Det andra skälet är att kornstorleksfördelningen i beklädnadslagret är mer enhetlig på grund av den ökade värmetillförseln.

3 Slutsats
(1) Beklädnadsskiktet som erhålls genom flerskikts- och multipassage lasertrådssvetsprocess har god makroskopisk bildning, inga uppenbara defekter som porer och sprickor och en bra metallurgisk bindning bildas mellan beklädnadsskiktet och modermaterialet. Det finns en betydande vertikal påling och tjockleken på beklädnadslagret är 11.5 mm.
(2) Beklädnadsskiktet består huvudsakligen av ferrit, widmanstatten och lattmartensit. Cr- och Ni-halten i beklädnadslagret är högre än i modermaterialet. Cr- och Ni-element förbättrar passiveringsfilmens stabilitet, hindrar diffusion av joner och förbättrar beläggningsskiktets oxidationsbeständighet och korrosionsbeständighet. Dessutom, på grund av ökningen av värmetillförseln, är kornstorleksfördelningen i beklädnadsskiktet mer enhetlig, så korrosionsbeständigheten hos beklädnadsskiktet är bättre än för modermaterialet.
(3) Medelhårdheten hos modermaterialet är 172.02HV, och medelhårdheten för beklädnadsskiktet är 320.13HV, hårdheten hos beklädnadsskiktet är mycket högre än för modermaterialet. På grund av påverkan av mikrostruktur och kornstorlek visar beklädnadsytans hårdhet en stegliknande distributionstrend som helhet.