Çok katmanlı ve çok geçişli işlemleri gerçekleştirmek için çapraz ortogonal istifleme yöntemi kullanıldı lazer tel kaplama 20 mm kalınlığında Q345B düşük karbonlu çelik levha üzerinde, kaplama tabakasının makroskobik morfolojisi, mikro yapısı, faz bileşimi, mikro sertliği ve korozyon direnci incelendi. Sonuçlar, çok katmanlı ve çok geçişli lazer tel doldurma işlemiyle elde edilen kaplama tabakasının iyi makroskobik formasyona sahip olduğunu ve gözenekler ve çatlaklar gibi belirgin kusurlar olmadığını göstermektedir; kaplama tabakası esas olarak kaplama bölgesi, örtüşme bölgesi, faz değişiminden etkilenen bölge, füzyon bölgesi ve ısıdan etkilenen bölge; ana malzeme yapısı esas olarak ferrit ve perlittir ve kaplama tabakası mikro yapısı esas olarak ferrit, widmanstatten ve martensittir; mikro yapı ve tane boyutunun etkisi nedeniyle, kaplama tabakasının sertliği genel olarak kademelidir ve kaplama tabakasının ortalama sertliği, ana malzemeden daha yüksek olan 320.13 HV'dir; %3.5 NaCl çözeltisinde, kaplama tabakasının polarizasyon eğrisi bir pasifleşme bölgesi gösterir ve korozyon direnci ana malzemeden daha iyidir. Çok katmanlı ve çok geçişli lazer tel doldurma kaplama işlemi, gerçek mühendislikte kaplama katmanlarının hazırlama gereksinimlerini karşılayabilir.
Anahtar kelimeler: Q345B düşük karbonlu çelik; lazer tel kaplama; çapraz ortogonal istifleme; mikro yapı ve özellikler

Ekonomi ve toplumun gelişmesiyle birlikte, ülkemin deniz petrol ve gaz kaynaklarına olan talebi artmaya devam etmektedir. Deniz kaynaklarının keşfi ve geliştirilmesine odaklanmak, ülkemin petrol endüstrisinin gelişimi için pratik bir ihtiyaçtır [1-2]. Deniz mühendisliği yapılarının karmaşık hizmet ortamı nedeniyle, geleneksel yapılara göre hasara karşı daha hassastırlar. Bu nedenle, deniz mühendisliği ekipmanlarının günlük bakımı acilen çözülmesi gereken önemli bir sorun haline gelmiştir [3]. Q345B çeliği, iyi kapsamlı özelliklere ve mükemmel kaynaklanabilirliğe sahip düşük alaşımlı, yüksek mukavemetli bir çeliktir. Deniz mühendisliğinde ve köprü yapımında yaygın olarak kullanılır [4].

Gelişmiş bir koruyucu ve onarım kaplama teknolojisi olarak lazer kaplama, önemli parçaların yüksek hassasiyetli onarımı ve gelişmiş malzeme özelliklerine sahip kaplamaların hazırlanması için verimli bir neredeyse net şekilli şekillendirme süreci sağlar [5]. Çok katmanlı ve çok geçişli kaplama işlemi sırasında, bitişik kaynakların ısıdan etkilenen bölgeleri üst üste binerek iki veya daha fazla termal döngüden geçmiş alanlar oluşturur. Bu alanların mikro yapısı özellikle karmaşıktır [6] ve mikro yapı bileşim fazı, yeniden kristalleşme hızı, çökelti ölçeği ve kapanım morfolojisi işlem boyunca sürekli olarak değişir [7]. Bu nedenle, çok katmanlı ve çok geçişli kaplama işlemi sırasında, kullanım sırasında arızaya meyilli olan kaplama alanında genellikle zayıf noktalar bulunur. Örneğin, kullanım sırasında basınçlı kapların kaynaklı ek yerlerinin yakınında genellikle elektrolitik korozyon ve gerilim korozyonu görülür [8].

Wu ve diğerleri [9] kullandı lazer kaplama teknolojisi Çelik bir alt tabaka üzerine sürekli ve yoğun bir Mo2NiB2 kaplama tabakası hazırlamak. Kaplama yüksek sertliğe, iyi aşınma direncine ve korozyon direncine sahiptir, alt tabakanın performansını iyileştirir ve deniz mühendisliği ekipmanlarının güvenli ve istikrarlı servisini sağlar. Li ve diğerleri [10], 316L paslanmaz çelik yüzeyin aşınmış parçalarını onarmak için lazer tel kaplama kullandılar ve 308L paslanmaz çelikten çok katmanlı çok geçişli bir kaplama tabakası elde ettiler. Kaplama esas olarak ostenit ve az miktarda ferritten oluşur, çekme dayanımı ve uzaması sırasıyla 548MPa ve %40'tır, bu da alt tabakanın yaklaşık %86'sı ve %74'üdür.

Bu yazıda, lazer tel kaplama teknolojisi çapraz ortogonal istifleme ile Q345B lazer kaplama tabakasını hazırlamak için kullanılır. Çok katmanlı çok geçişli kaplama tabakasının makroskobik morfolojisi, mikro yapısı, faz bileşimi, mikro sertliği ve korozyon direnci incelenir ve bu da deniz mühendisliği yapılarının yerinde onarımı için bir temel oluşturur.

1 Lazer tel kaplama deneyi

1.1 Deneysel materyaller

Deneysel alt tabaka malzemesi Q345B karbon çeliğidir ve tel kaplama malzemesi 6 mm çapında AFEW86-1.2 alaşımlı çelik teldir. İkisinin kimyasal bileşimleri Tablo 1'de gösterilmiştir.

1.2 Çok katmanlı ve çok geçişli lazer tel kaplama işlemi
Gerçek mühendislik uygulamalarında, iş parçası çalışma sırasında farklı yönlerdeki kuvvetlerden etkilenecektir, bu nedenle anizotropinin etkisi dikkate alınmalıdır. Anizotropinin etkisini azaltmak için, kaplama tabakasının yolu planlanır, aynı tabakadaki kaynakların eklemeli yönü tutarlıdır, bitişik istifleme tabakalarındaki kaynakların yönleri birbirine diktir ve tabakalar ortogonaldir. Çapraz ortogonal istifleme yolu Şekil 1'de gösterilmiştir.

Kaplama deneyi sırasında, koruyucu gaz %99.99 gaz saflığına sahip saf argon gazıdır. İlk olarak, tek geçişli kaplama için optimum işlem parametrelerini keşfetmek üzere tek katmanlı tek geçişli kaplama yöntemi kullanılarak ortogonal bir deney gerçekleştirildi; ardından, katmanlar arasındaki kaldırma yüksekliğinin kaynak şekillendirme kalitesi üzerindeki etkisini incelemek için çok katmanlı tek geçişli istifleme yöntemi kullanıldı ve düz bir kaplama katmanı ve iyi şekillendirme etkisine sahip çok katmanlı tek geçişli bir kaynak elde edildi. Yukarıdakilere dayanarak, farklı örtüşme oranlarının kaplama katmanının şekillendirme kalitesi üzerindeki etkisi incelendi ve örtüşme oranı %40 olduğunda, kaplama katmanının her geçişi arasındaki yüksekliğin nispeten düzgün, yüzey oluşumunun nispeten düz ve her geçiş arasındaki metalurjik bağın en güçlü olduğu bulundu. Deney katmanları arasındaki kaldırma yüksekliği, ilk iki katmanın her biri için 0.8 mm ve sonraki katmanların her biri için 0.7 mm'dir. Belirli deneysel parametreler Tablo 2'de gösterilmiştir.

1.3 Kaplama tabakasının analiz ve test yöntemi
Hazırlanan çok katmanlı ve çok geçişli kaplama tabakasından metalografik numuneler tel kesme yöntemiyle kesildi. Numune yüzeyi oda sıcaklığında epoksi reçine ile gömüldükten sonra zımparalandı. Hiçbir çizik kalmayana kadar farklı pürüzlülükteki zımpara kağıdı kullanılarak parlatıldı. Daha sonra numune, ayna etkisi gösteren metalografik numune kesiti elde etmek için bir parlatma makinesiyle parlatıldı. Numune, görünür kaplama tabakası arayüzünü aşındırmak için %4 nitrik asit alkol çözeltisiyle aşındırıldı, alkolle yıkandı ve üflenerek kurutuldu ve numunenin mikro yapısı metalografik mikroskopla incelendi; kaplama tabakasının faz bileşimi ve evrimi tarandı ve X-ışını kırınımı teknolojisi kullanılarak 30°~100° aralığında analiz edildi; kaplama tabakasının kimyasal element analizi bir enerji spektrometresi kullanılarak gerçekleştirildi; kaplama tabakası kesitinin farklı alanlarının mikrosertliği bir HVS-1000Z Vickers sertlik test cihazı kullanılarak test edildi; Kaplama tabakasının ve ana malzemenin polarizasyon eğrileri ve empedans spektrumları, referans elektrot olarak doymuş kalomel elektrot ve yardımcı elektrot olarak platin elektrot kullanılan bir VersaSTAT 3.5F elektrokimyasal iş istasyonu kullanılarak %3'lik bir NaCl çözeltisinde test edildi ve korozyon dirençleri karşılaştırıldı ve analiz edildi.

2 Deneysel sonuçlar ve analiz
2.1 Kaplama katmanının makromorfoloji analizi
Lazer teli ile doldurulmuş kaplama tabakası, 29 (uzunluk) × 15 (genişlik) × 12 katmandan (yükseklik) oluşan çapraz ortogonal bir istifleme deneyi ile hazırlanmıştır. Kaplama tabakası iyi bir şekillendirme etkisine, pürüzsüz bir yüzeye, çatlaklar ve kaynaşmamışlık gibi makro kusurlara ve belirgin dikey yüksekliğe sahiptir. Kaplama tabakasının makroskobik morfolojisi Şekil 2'de gösterilmiştir. Çok katmanlı çok geçişli lazer teli kaplama deneyi sırasında, son katmanın kaplama işlemi, önceki kaplama tabakasında yeniden erime reaksiyonu üretecek ve kaplama tabakasının kenarında aşağı doğru bir akışa neden olacaktır. Aynı zamanda, kaplama işlemi sırasında, lazer ışığı çıkışının başlangıç ​​ve bitiş talimatlarında belirli bir gecikme nedeniyle, kaplama tabakasının kenarının yüksekliği orta kısımdan biraz daha düşük olacaktır.

Şekil 3, çok katmanlı çok geçişli lazer kaplama tabakasının kesit morfolojisini göstermektedir. Gözenekler, çatlaklar ve kapanımlar gibi kusurlar bulunmamıştır. Kaplama metali ile taban malzemesi arasında yoğun bir metalurjik bağ oluşmuştur. Belirgin bir dikey yükseklik vardı ve kaplama tabakasının kalınlığı 11.5 mm idi.

2.2 Kaplama katmanının mikro yapı analizi
Kaynak havuzunun soğutulması bir faz değişimi sürecidir ve faz değişiminin mikro yapısı kaynak metalinin kimyasal bileşimine ve soğutma koşullarına bağlıdır [11]. Kaplama tabakasının her bir alanının mikro yapısı, Şekil 4'te gösterildiği gibi bir metalografik mikroskop kullanılarak gözlendi. Kaplama tabakası, kaplama bölgesini (kaplamalı bölge, CZ), kaplama bölgesini (ovelaplanmış bölge, OZ), faz geçişinden etkilenen bölgeyi (faz geçişinden etkilenen bölge, PAZ), füzyon bölgesini (füzyon bölgesi, FZ), ısıdan etkilenen bölgeyi (ısıdan etkilenen bölge, HAZ) ve temel metali (temel metal, BM) içerir [12]. Temel metal mikro yapısı esas olarak ferrit ve az miktarda perlitten oluşur. Q345B çeliğine eklenen ana element Mn, ferrit üzerinde önemli bir güçlendirme etkisine sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda tokluk-kırılganlık geçiş sıcaklığını azaltır, perlit miktarını artırır ve perlitin mukavemetini iyileştirir.

Şekil 4 (a), lata ve iğne şeklindeki ferrit, widmanstatten ve az miktarda lata martensitten oluşan kaplama tabakasının içindeki kaplama alanının mikro yapısını göstermektedir. Farklı katmanlar nedeniyle, her kaplama tabakası bir önceki katman üzerinde bir temperleme etkisi üretecek ve bunun sonucunda düzgün tane incelmesi ve net tane sınırları elde edilecektir; Şekil 4 (b) ve (b-1), eşit olmayan tane dağılımına sahip ferrit ve widmanstattenden oluşan füzyon alanının mikro yapısını göstermektedir; Şekil 4 (d), kaplama tabakasının içindeki iki kaynağın örtüşme alanının mikro yapısını göstermektedir. Şekildeki parlak alan, iki kaynak arasındaki füzyon çizgisidir. Soğutma işlemi sırasında, erimiş havuz ısı dağılımı yönü boyunca sütunlu ferrit oluşturacaktır. Bu nedenle, bu alan esas olarak Şekil 4 (d-1)'de gösterildiği gibi sütunlu ferrit ve az miktarda perlitten oluşmaktadır. Çift termal etki nedeniyle, örtüşme alanı düzgün tane incelmesine sahiptir; Şekil Şekil 4 (d-2), esas olarak ferrit ve Widmanstatten'den oluşan faz dönüşümünden etkilenen alandır. Faz dönüşümü ısısının etkisi nedeniyle, bu alanın tane boyutu, örtüşme alanından biraz daha büyüktür; Şekil 4 (e-1), ısıdan etkilenen bölgenin mikro yapısıdır. Kaynak işlemi sırasında, alt kaplama alanı temperlemeye uğrar, bu da bu alanın yapısının rafine olmasını ve tane dağılımının düzgün olmasını sağlar. Esas olarak ince taneli ferrit ve az miktarda perlitten oluşur. İnce taneli ferrit, ferrit ve bainit arasındaki bir dönüşüm ürünüdür. Kaynak metalurjik sürecinde yararlı bir mikro yapıdır [11].

Şekil 5, son kaplama katmanının mikro yapısıdır. Bu katman lazer ikincil ısıtmaya tabi tutulmaz. Diğer katmanlarla karşılaştırıldığında, orijinal yapı morfolojisini koruyabilir. Tane boyutu düzgündür ve yapı yoğundur. Esas olarak ferrit, Widmanstatten ve lath martensitten oluşur.

2.3 Kaplama tabakasının XRD ve EDS analizi
Lazer kaplama tabakasının faz kompozisyonunu analiz etmek için 10 mm×10 mm×8 mm boyutlarında bir numune tel kesme ile kesilmiş ve taşlama ve parlatma işleminden sonra X-ışını kırınımı testi analizi yapılmıştır. Şekil 6, çok katmanlı çok geçişli lazer kaplama tabakasının ve ana malzemenin XRD spektrumunu göstermektedir. Mikro yapı ve XRD spektrum sonuçlarını birleştirdiğimizde, kaplama tabakasının esas olarak büyük miktarda ferrit, kısmen martensit ve widmanstattenitten oluştuğu ve başka zararlı fazların görünmediği görülebilir. Lazer kaplama erimiş havuzunun soğutma işleminde sütunlu ferrit oluşacağından, kaplama tabakası büyük miktarda ferrit içerir. Kaynak işlemi sırasında lazerin ısı girişi büyük olduğunda, kaplama tabakasının mikro yapısı bir miktar kabalaşacak ve tane boyutu artacaktır. Bu sırada, yapı aşırı ısınmış widmanstattenit ve lath martensit olarak görünecek ve iki yapı kademeli olacaktır.

Kimyasal bileşim, numune kesitinin farklı pozisyonlarında nokta taramasıyla analiz edildi. Nokta tarama pozisyonları Şekil 7'de ve farklı alanların EDS analiz sonuçları Tablo 3'te gösterilmiştir. Kaynak telindeki yüksek Cr ve Ni element içeriği nedeniyle, kaplama tabakasının Cr ve Ni içeriği ana malzemeninkinden önemli ölçüde daha yüksektir ve bu da kaplama tabakasının korozyon direncini ana malzemeninkinden daha iyi hale getirir.

2.4 Kaplama katmanının mikrosertlik analizi
Numunenin mikrosertliği ölçüldü. Deney sırasında yük 1000 g, tutma süresi 10 s, ölçüm yolu ana malzemeden kaplama alanına doğru olan yöndeydi ve iki bitişik örnekleme noktası arasındaki aralık 1 mm idi. Ana malzemeden kaplama alanına doğru mikrosertlik dağılımı Şekil 8'de gösterilmiştir. Ana malzemenin ortalama mikrosertliği 172.02 HV, kaplama tabakasının ortalama mikrosertliği ise 320.13 HV'dir. Son kaplama tabakasının mikro yapısı büyük miktarda ferrit, widmanstattenit ve az miktarda lath martensit ve perlit içermektedir. Bu mikro yapı alanının sertlik değeri en yüksek olup 325.92 HV'dir. Kaplama tabakasının ortalama sertliği ana malzemeninkinden çok daha yüksek olup, onarım mukavemeti gereksinimlerini karşılamaktadır. Şekil 8'de gösterildiği gibi, kaplama alanının sertliği genellikle basamaklı bir şekilde dağıtılır. Bunun nedeni, çok katmanlı ve çok geçişli lazer teli doldurma sürecinde, her kaplama katmanının oluşum süreci sırasında önceki katman üzerinde bir ısıtma sonrası temperleme etkisine ve bir sonraki katman üzerinde bir ön ısıtma etkisine sahip olmasıdır. Son kaplama katmanı, ısıtma sonrası temperleme olmadan bir ön ısıtma etkisine sahiptir, bu da düzgün tanecik incelmesini destekler ve sertliği önemli ölçüde iyileştirir.

2.5 Kaplama katmanının korozyon direncinin analizi
Çoğu metal korozyonu elektrokimyasal korozyon şeklinde gerçekleşir ve korozyon sürecine, tıpkı birincil bir bataryada olduğu gibi, akım üretimi eşlik eder [13-14]. Çok katmanlı ve çok geçişli kaplama tabakasının elektrokimyasal korozyon performansını test etmek için, numune Tafel polarizasyon eğrisini ve empedans spektrumunu test etmek için %3.5'lik bir NaCl çözeltisine yerleştirildi.

Kaplama tabakasının ve taban malzemesinin polarizasyon eğrileri Şekil 9'da gösterilmiştir. Kaplama tabakasının polarizasyon eğrisinin bir pasifleşme bölgesine sahip olduğu görülebilir; bu, korozyon süreci sırasında kaplama tabakasının yüzeyinde yoğun bir oksit filminin oluştuğunu gösterir. Oksit filmindeki Cr, Ni ve Si gibi elementler pasifleşme kararlılığını iyileştirir, iyonların difüzyonunu engeller ve korozyon direncini iyileştirir. Kaplama tabakasının ve taban malzemesinin öz korozyon potansiyeli Ecorr ve öz korozyon akım yoğunluğu Icorr, Tablo 4'te gösterildiği gibi veri uyumu yoluyla elde edilir. Bir metalin bir elektrolit çözeltisindeki öz korozyon potansiyeli Ecorr, korozyona olan duyarlılığını yansıtır ve malzemenin elektrokimyasal korozyona karşı direncinin bir göstergesidir. Öz korozyon potansiyeli ne kadar küçükse, metalin elektron kaybetmesi o kadar kolay olur ve korozyon direnci o kadar zayıf olur; Kendi kendine korozyon potansiyeli ne kadar büyükse, metalin elektron kaybetmesi o kadar zor olur ve korozyon direnci de o kadar güçlü olur[14]. Tablo 4'te görülebileceği gibi, kaplama tabakasının kendi kendine korozyon potansiyeli, taban malzemesininkinden daha yüksektir; bu da kaplama tabakasının güçlü korozyon direncine sahip olduğunu gösterir. Kendi kendine korozyon akım yoğunluğu Icorr, korozyon hızıyla orantılıdır. Korozyon akımı ne kadar büyükse, malzemenin korozyon hızı o kadar hızlı olur ve korozyon direnci o kadar kötü olur. Tablo 4'teki verilerden görülebileceği gibi, taban malzemesinin kendi kendine korozyon akımı, kaplama tabakasınınkinden daha yüksektir; bu da taban malzemesinin korozyon direncinin zayıf olduğunu gösterir. Dolayısıyla, kendi kendine korozyon potansiyelinin boyutu ile kendi kendine korozyon akımı karşılaştırıldığında, kaplama tabakasının korozyon direncinin taban malzemesininkinden daha iyi olduğu sonucuna varılabilir.

Kaplama tabakası ve taban malzemesi empedans spektroskopisi (EIS) ile test edildi ve iki numunenin empedans spektrumu Nyquist çizimleri Şekil 10'da gösterilmektedir. Z' ve Z” sırasıyla ölçülen empedans Z'nin gerçek ve sanal kısımlarıdır. Hem kaplama tabakası hem de taban malzemesi tek bir kapasitif ark karakteristiği sunar. Kapasitif ark yarıçapı ne kadar büyükse, numunenin toplam empedansı o kadar büyük ve korozyon direnci o kadar güçlü olur. Şekil 10'da gösterildiği gibi, kaplama tabakasının kapasitif ark yarıçapı taban malzemesininkinden önemli ölçüde daha büyüktür. Bu nedenle, kaplama tabakasının polarizasyon direnci daha büyüktür, bu da kaplama tabakasının korozyon hızının daha düşük ve korozyon direncinin daha güçlü olduğunu gösterir; bu da dinamik potansiyel polarizasyon eğrisinin sonuçlarıyla tutarlıdır.

Özetle, kaplama tabakasının korozyon direnci, temel malzemeden daha iyidir. İlk olarak, kaplama malzemesi, temel malzemeden daha yüksek Cr ve Ni içeriğine sahip olan AFEW6-86 kaynak teli kullanır, böylece kaplama tabakası daha yüksek oksidasyon direncine ve korozyon direncine sahip olur. Korozif bir ortamda, Cr, O elementleriyle reaksiyona girdiğinde, yüzeyde korozyona dayanıklı bir oksit filmi tabakası oluşacak, bu da metal yüzeyini korozif ortamdan ayıracak, anodun çözünme sürecini azaltacak ve kaplama metalinin çözünme hızını azaltacak ve böylece kaplama tabakasının korozyon direncini artıracaktır. Korozyon direnci iyileştirilir[15-16]. İkinci neden, ısı girişindeki artış nedeniyle kaplama tabakasındaki tane boyutu dağılımının daha düzgün olmasıdır.

3 Sonuç
(1) Çok katmanlı ve çok geçişli kaplama ile elde edilen kaplama tabakası lazer tel kaynak işlemi iyi makroskobik oluşuma sahiptir, gözenekler ve çatlaklar gibi belirgin kusurlar yoktur ve kaplama tabakası ile ana malzeme arasında iyi bir metalurjik bağ oluşmuştur. Önemli bir dikey yığılma vardır ve kaplama tabakasının kalınlığı 11.5 mm'dir.
(2) Kaplama tabakası esas olarak ferrit, widmanstatten ve lath martensitten oluşur. Kaplama tabakasındaki Cr ve Ni içeriği ana malzemedekinden daha yüksektir. Cr ve Ni elementleri pasifleştirme filminin kararlılığını artırır, iyonların difüzyonunu engeller ve kaplama tabakasının oksidasyon direncini ve korozyon direncini artırır. Ayrıca, ısı girişindeki artış nedeniyle kaplama tabakasındaki tane boyutu dağılımı daha düzgündür, bu nedenle kaplama tabakasının korozyon direnci ana malzemeninkinden daha iyidir.
(3) Ana malzemenin ortalama sertliği 172.02HV'dir ve kaplama tabakasının ortalama sertliği 320.13HV'dir, kaplama tabakasının sertliği ana malzemenin sertliğinden çok daha yüksektir. Mikro yapı ve tane boyutunun etkisi nedeniyle, kaplama alanının sertliği bir bütün olarak basamak benzeri bir dağılım eğilimi göstermektedir.