Метод перехресного ортогонального укладання використовувався для виконання багатошаровості та багатоходовості лазерне плакування проводів на пластині з низьковуглецевої сталі Q20B товщиною 345 мм та досліджено макроскопічну морфологію, мікроструктуру, фазовий склад, мікротвердість та корозійну стійкість шару плакування. Результати показують, що шар оболонки, отриманий за допомогою багатошарового та багатоходового лазерного заповнення дротом, має гарне макроскопічне формування та відсутність явних дефектів, таких як пори та тріщини; облицювальний шар в основному складається з зона обшивки, зона перекриття, зона зміни фази, зона плавлення та зона теплового впливу; структура основного матеріалу - це переважно ферит і перліт, а мікроструктура шару оболонки - це переважно ферит, видманштаттен і мартенсит; через вплив мікроструктури та розміру зерен твердість шару облицювання в цілому ступінчаста, а середня твердість шару облицювання становить 320.13 HV, що вище, ніж у основного матеріалу; у 3.5% розчині NaCl поляризаційна крива шару покриття показує область пасивації, а його корозійна стійкість краща, ніж у основного матеріалу. Багатошаровий і багатопрохідний процес наповнення лазерним дротом може відповідати вимогам підготовки шарів облицювання в реальному проектуванні.
Ключові слова: низьковуглецева сталь Q345B; лазерне плакування проводів; поперечне ортогональне укладання; мікроструктура і властивості

З розвитком економіки та суспільства попит моєї країни на морські ресурси нафти та газу продовжує зростати. Зосередження на розвідці та розробці морських ресурсів є практичною потребою для розвитку нафтової промисловості моєї країни [1-2]. Через складне середовище експлуатації морських інженерних споруд вони більш сприйнятливі до пошкоджень, ніж традиційні конструкції. Тому щоденне обслуговування морського інженерного обладнання стало ключовим питанням, яке потребує невідкладного вирішення [3]. Сталь Q345B є низьколегованою високоміцною сталлю з хорошими комплексними властивостями та чудовою зварюваністю. Він широко використовується в морській техніці та мостобудуванні [4].

Будучи вдосконаленою технологією захисного та ремонтного покриття, лазерне наплавлення забезпечує ефективний процес формування майже чистої форми для високоточного ремонту ключових деталей і підготовки покриттів із покращеними властивостями матеріалу [5]. У процесі багатошарового і багатоходового наплавлення зони термічного впливу сусідніх зварних швів перекриваються, утворюючи ділянки, які пройшли два або більше термічних циклів. Мікроструктура цих ділянок є особливо складною [6], а фазовий склад мікроструктури, швидкість рекристалізації, масштаб осаду та морфологія включень постійно змінюються протягом процесу [7]. Таким чином, під час багатошарового та багатоходового процесу облицювання часто виникають слабкі місця в області облицювання, які схильні до руйнування під час використання. Наприклад, електролітична корозія та корозія під напругою часто спостерігаються поблизу зварних з’єднань посудин під тиском під час експлуатації [8].

Ву та ін. [9] використовується технологія лазерного наплавлення для приготування суцільного та щільного шару покриття Mo2NiB2 на сталевій підкладці. Покриття має високу твердість, хорошу зносостійкість і стійкість до корозії, покращує характеристики підкладки, забезпечує безпечну і стабільну роботу морського інженерного обладнання. Лі та ін. [10] використали лазерне наплавлення дроту для ремонту корозійних частин поверхні з нержавіючої сталі 316L і отримали багатошаровий багатопрохідний шар наплавлення з нержавіючої сталі 308L. Покриття в основному складається з аустеніту та невеликої кількості фериту, з міцністю на розрив і подовженням 548 МПа та 40% відповідно, що становить приблизно 86% та 74% основи.

У даній роботі технологія лазерного плакування проводів використовується для підготовки шару лазерної оболонки Q345B шляхом перехресного ортогонального укладання. Досліджено макроскопічну морфологію, мікроструктуру, фазовий склад, мікротвердість та корозійну стійкість багатошарового багатопрохідного шару облицювання, що є основою для ремонту суднових інженерних споруд на місці.

1 Експеримент з лазерним покриттям дроту

1.1 Експериментальні матеріали

Експериментальним матеріалом підкладки є вуглецева сталь Q345B, а матеріалом покриття дроту є дріт із легованої сталі AFEW6-86 діаметром 1.2 мм. Хімічний склад цих двох наведено в таблиці 1.

1.2 Процес багатошарового та багатоходового лазерного плакування дроту
У реальних інженерних застосуваннях на заготовку будуть впливати сили в різних напрямках під час роботи, тому слід враховувати вплив анізотропії. Щоб зменшити вплив анізотропії, траєкторія шару облицювання планується, адитивний напрямок зварних швів в одному шарі є послідовним, напрямки зварних швів у суміжних шарах укладання перпендикулярні один одному, а шари ортогональний. Його крос-ортогональний шлях стекування показаний на малюнку 1.

Під час експерименту з оболонкою захисним газом є чистий газ аргон із чистотою газу 99.99%. По-перше, був проведений ортогональний експеримент з використанням методу одношарового однопрохідного плакування для дослідження оптимальних параметрів процесу для однопрохідного плакування; потім для вивчення впливу висоти підйому між шарами на якість формування зварного шва використовувався метод багатошарового однопрохідного зварювання, і було отримано багатошарове однопрохідне зварювання з прямим шаром покриття та хорошим ефектом формування. На основі вищесказаного було вивчено вплив різних коефіцієнтів перекриття на якість формування шару облицювання, і було виявлено, що коли коефіцієнт перекриття становив 40%, висота між кожним проходом шару облицювання була відносно рівномірною, утворення поверхні було відносно рівним, а металургійний зв'язок між кожним проходом був найсильнішим. Висота підйому між експериментальними шарами становить 0.8 мм для кожного з перших двох шарів і 0.7 мм для кожного з наступних шарів. Конкретні експериментальні параметри наведені в таблиці 2.

1.3 Метод аналізу та випробування облицювального шару
Для вирізання металографічних зразків із підготовленого шару багатошарової та багатопрохідної наплавки використовували різання дроту. Поверхня зразка була відшліфована після заливання епоксидною смолою при кімнатній температурі. Наждачним папером різної шорсткості полірували до повної відсутності подряпин. Потім зразок полірували полірувальною машиною для отримання металографічного перерізу зразка з дзеркальним ефектом. Зразок піддавали корозії 4% розчином спирту азотної кислоти, щоб витравити видиму межу шару оболонки, промивали спиртом і висушували, а мікроструктуру зразка спостерігали за допомогою металографічного мікроскопа; фазовий склад і еволюцію шару оболонки сканували та аналізували в діапазоні 30°~100° за допомогою рентгенівської дифракційної технології; хімічно-елементний аналіз шару облицювання проводили за допомогою енергетичного спектрометра; мікротвердість різних ділянок поперечного перерізу наплавленого шару перевіряли на твердомірі за Віккерсом HVS-1000Z; поляризаційні криві та спектри імпедансу шару оболонки та основного матеріалу були перевірені в 3.5% розчині NaCl з використанням електрохімічної робочої станції VersaSTAT 3F з насиченим каломельним електродом як електродом порівняння та платиновим електродом як допоміжним електродом, а також їх стійкість до корозії було порівняно та проаналізовано.

2 Експериментальні результати та аналіз
2.1 Макроморфологічний аналіз облицювального шару
Шар оболонки, наповнений лазерним дротом, був підготовлений шляхом експерименту з перехресним ортогональним укладанням 29 (довжина) × 15 (ширина) × 12 шарів (висота). Облицювальний шар має хороший формувальний ефект, гладку поверхню, відсутність макродефектів, таких як тріщини та нерозплавлення, і очевидну вертикальну висоту. Макроскопічна морфологія шару оболонки показана на малюнку 2. Під час експерименту з багатошаровим багатопрохідним лазерним дротяним плакуванням процес плакування останнього шару викличе реакцію переплавлення попереднього шару оболонки, що призведе до низхідного потоку при край облицювального шару. У той же час, під час процесу облицювання, через певну затримку в інструкціях початку та кінця виходу лазерного світла, висота краю шару облицювання буде трохи нижчою, ніж середня частина.

На рисунку 3 показана морфологія поперечного перерізу багатошарового багатопрохідного шару лазерного покриття. Жодних дефектів, таких як пори, тріщини та вкраплення не виявлено. Між облицювальним металом і основним матеріалом утворився щільний металургійний зв'язок. Була очевидна вертикальна висота, а товщина шару облицювання становила 11.5 мм.

2.2 Аналіз мікроструктури облицювального шару
Охолодження зварювальної ванни є процесом фазового переходу, а мікроструктура фазового переходу залежить від хімічного складу та умов охолодження металу шва [11]. Мікроструктуру кожної ділянки шару оболонки спостерігали за допомогою металографічного мікроскопа, як показано на малюнку 4. Шар оболонки включає зону оболонки (зона плакування, CZ), зону накладення (зона перекриття, OZ), фазу зона впливу на перехід (зона впливу на фазовий перехід, PAZ), зона плавлення (зона плавлення, FZ), зона впливу нагрівання (зона впливу нагрівання, HAZ) і основний метал (основний метал, BM) [12]. Мікроструктура основного металу в основному складається з фериту та невеликої кількості перліту. Основний елемент Mn, доданий до сталі Q345B, не тільки має значний ефект зміцнення фериту, але також знижує температуру переходу в'язкість-крихкість, збільшує кількість перліту та покращує міцність перліту.

На малюнку 4 (a) показана мікроструктура області покриття всередині шару покриття, який складається з рейкового та голчастого фериту, видманштаттена та невеликої кількості рейкового мартенситу. Завдяки різним шарам кожен шар облицювання вироблятиме ефект відпустки на попередній шар, що призводить до рівномірного подрібнення зерна та чітких меж зерен; Фігури 4 (b) і (b-1) показують мікроструктуру зони плавлення, яка складається з фериту і видманштатта з нерівномірним розподілом зерна; На малюнку 4 (d) показана мікроструктура зони перекриття двох зварних швів всередині шару облицювання. Світла область на малюнку — це лінія зварювання між двома зварними швами. Під час процесу охолодження розплавлена ​​ванна утворює стовпчастий ферит уздовж напрямку розсіювання тепла. Таким чином, ця область в основному складається з стовпчастого фериту та невеликої кількості перліту, як показано на малюнку 4 (d-1). Завдяки подвійній термічній дії площа перекриття має рівномірне подрібнення зерна; Рисунок На малюнку 4 (d-2) зображено зону впливу фазового перетворення, яка в основному складається з фериту та відманштату. Через вплив тепла фазового перетворення розмір зерна цієї області трохи більший, ніж площі перекриття; На малюнку 4 (e-1) представлена ​​мікроструктура зони теплового впливу. В процесі зварювання нижня зона наплавлення піддається відпуску, що робить структуру цієї ділянки витонченою, а розподіл зерен рівномірним. В основному він складається з дрібнозернистого фериту і невеликої кількості перліту. Дрібнозернистий ферит є продуктом перетворення між феритом і бейнітом. Це корисна мікроструктура в металургійному процесі зварювання [11].

5 – мікроструктура останнього шару облицювання. Цей шар не піддається лазерному вторинному нагріванню. У порівнянні з іншими шарами, він може зберегти оригінальну морфологію структури. Його зернистість однорідна, структура щільна. В основному він складається з фериту, видманштаттового та пластинчастого мартенситу.

2.3 XRD та EDS аналіз шару облицювання
Для аналізу фазового складу шару лазерного покриття зразок розміром 10 мм × 10 мм × 8 мм був вирізаний дротом, а після шліфування та полірування був проведений рентгенівський аналіз. На малюнку 6 показано XRD-спектр багатошарового багатопрохідного лазерного шару оболонки та основного матеріалу. Об’єднавши результати мікроструктури та XRD-спектру, можна побачити, що шар оболонки в основному складається з великої кількості фериту, частково мартенситу та видманстаттеніту, і жодних інших шкідливих фаз не з’являється. Оскільки стовпчастий ферит буде утворюватися в процесі охолодження ванни розплавленого лазерного покриття, шар покриття містить велику кількість фериту. Коли під час процесу зварювання теплова потужність лазера є великою, мікроструктура шару покриття буде певною мірою огрубіти, а розмір зерен збільшиться. У цей час структура буде виглядати перегрітим видманштаттенітом і рейковим мартенситом, і дві структури розташовані в шаховому порядку.

Хімічний склад аналізували шляхом точкового сканування в різних положеннях поперечного перерізу зразка. Позиції точкового сканування показані на малюнку 7, а результати аналізу EDS різних областей наведені в таблиці 3. Через високий вміст елементів Cr і Ni у зварювальному дроті вміст Cr і Ni в шарі покриття значно вище, ніж у основного матеріалу, що робить корозійну стійкість шару покриття кращою, ніж у основного матеріалу.

2.4 Визначення мікротвердості наплавленого шару
Вимірювали мікротвердість зразка. Під час випробування навантаження становило 1000 г, час витримки – 10 с, траєкторія вимірювання проходила вздовж напрямку від основного матеріалу до зони облицювання, інтервал між двома сусідніми точками відбору – 1 мм. Розподіл мікротвердості від основного матеріалу до площі плакування показано на рисунку 8. Середня мікротвердість основного матеріалу становить 172.02 HV, а середня мікротвердість шару плакування становить 320.13 HV. Мікроструктура останнього шару оболонки містить велику кількість фериту, видманштатеніту та невелику кількість рейкового мартенситу та перліту. Значення твердості цієї ділянки мікроструктури найвище, яке становить 325.92HV. Середня твердість облицювального шару значно вище, ніж у основного матеріалу, що відповідає вимогам ремонтної міцності. Як показано на малюнку 8, твердість поверхні плакування зазвичай розподіляється ступінчасто. Це пов’язано з тим, що в процесі багатошарового та багатоходового заповнення лазерного дроту кожен шар оболонки матиме ефект гартування після нагрівання попереднього шару під час процесу формування та вплив попереднього нагріву на наступний шар. Останній облицювальний шар має ефект попереднього нагріву без донагрівання, що сприяє рівномірному подрібненню зерна та значному підвищенню твердості.

2.5 Дослідження корозійної стійкості облицювального шару
Більшість корозії металу здійснюється у вигляді електрохімічної корозії, причому процес корозії супроводжується генерацією струму, як і первинна батарея [13-14]. Щоб перевірити електрохімічну корозійну ефективність багатошарового та багатопрохідного шару оболонки, зразок помістили в 3.5% розчин NaCl для перевірки поляризаційної кривої Тафеля та спектру імпедансу.

Поляризаційні криві шару оболонки та основного матеріалу показані на малюнку 9. Можна побачити, що крива поляризації шару оболонки має область пасивації, що вказує на те, що на поверхні шару оболонки утворюється щільна оксидна плівка під час процес корозії. Такі елементи, як Cr, Ni і Si в оксидній плівці, покращують стійкість до пасивації, перешкоджають дифузії іонів і покращують стійкість до корозії. Потенціал самокорозії Ecorr і густина струму самокорозії Icorr шару оболонки та основного матеріалу отримані підгонкою даних, як показано в таблиці 4. Потенціал самокорозії Ecorr металу в розчині електроліту відображає його чутливість до корозії і є показником стійкості матеріалу до електрохімічної корозії. Чим менший потенціал самокорозії, тим легше метал втрачає електрони і тим слабша його корозійна стійкість; чим більший потенціал самокорозії, тим важче металу втрачати електрони і тим сильніша його корозійна стійкість[14]. Як видно з таблиці 4, потенціал самокорозії шару покриття вищий, ніж у основного матеріалу, що вказує на те, що шар покриття має високу корозійну стійкість. Щільність струму самокорозії Icorr пропорційна швидкості корозії. Чим більший струм корозії, тим швидше швидкість корозії матеріалу та гірша стійкість до корозії. Як видно з даних у таблиці 4, струм самокорозії основного матеріалу вищий, ніж у шару облицювання, що вказує на низьку корозійну стійкість основного матеріалу. Тому, порівнюючи величину потенціалу самокорозії та струму самокорозії, можна зробити висновок, що корозійна стійкість шару покриття краща, ніж у основного матеріалу.

Облицювальний шар і основний матеріал перевірено за допомогою спектроскопії імпедансу (EIS), і графіки спектру найквіста імпедансу двох зразків показані на малюнку 10. Z' і Z” є дійсною та уявною частинами виміряного імпедансу Z відповідно. . І шар оболонки, і основний матеріал мають єдину ємнісну характеристику дуги. Чим більший радіус ємнісної дуги, тим більший загальний імпеданс зразка і тим сильніша стійкість до корозії. Як показано на малюнку 10, ємнісний радіус дуги шару оболонки значно більший, ніж у основного матеріалу. Отже, поляризаційний опір шару оболонки більший, що вказує на те, що швидкість корозії шару оболонки нижча, а стійкість до корозії сильніша, що узгоджується з результатами поляризаційної кривої динамічного потенціалу.

Підсумовуючи, корозійна стійкість шару облицювання краща, ніж у основного матеріалу. По-перше, матеріал облицювання використовує зварювальний дріт AFEW6-86, який має більший вміст Cr і Ni, ніж основний матеріал, так що шар облицювання має вищу стійкість до окислення та корозії. У корозійному середовищі, коли Cr реагує з елементами O, на поверхні утворюється шар корозійностійкої оксидної плівки, яка відокремить поверхню металу від корозійного середовища, зменшить процес розчинення анода та зменшить розчинення швидкість металу плакування, таким чином покращуючи корозійну стійкість шару плакування. Корозійна стійкість покращена [15-16]. Друга причина полягає в тому, що розподіл зерна за розміром у шарі облицювання є більш рівномірним через збільшення підведення тепла.

Висновок 3
(1) Шар обшивки, отриманий багатошаровим і багатопрохідним способом процес лазерного зварювання дроту має гарне макроскопічне формування, відсутність явних дефектів, таких як пори та тріщини, і між шаром оболонки та основним матеріалом утворюється хороший металургійний зв’язок. Є значний вертикальний наліт, а товщина шару облицювання становить 11.5 мм.
(2) Шар оболонки в основному складається з фериту, видманштаттена та рейкового мартенситу. Вміст Cr і Ni в шарі оболонки вище, ніж в основному матеріалі. Елементи Cr і Ni покращують стабільність пасиваційної плівки, перешкоджають дифузії іонів і покращують стійкість до окислення та корозії шару облицювання. Крім того, завдяки збільшенню підведення тепла розподіл зерна за розміром у шарі покриття є більш рівномірним, тому корозійна стійкість шару покриття є кращою, ніж у основного матеріалу.
(3) Середня твердість основного матеріалу становить 172.02HV, а середня твердість шару оболонки становить 320.13HV, твердість шару оболонки набагато вища, ніж у основного матеріалу. Завдяки впливу мікроструктури та розміру зерна твердість поверхні плакування демонструє ступінчасту тенденцію розподілу в цілому.