Phương pháp xếp chồng trực giao chéo được sử dụng để thực hiện nhiều lớp và nhiều lần lớp phủ dây laser trên tấm thép cacbon thấp Q20B dày 345 mm, và hình thái vĩ mô, cấu trúc vi mô, thành phần pha, độ cứng vi mô và khả năng chống ăn mòn của lớp phủ đã được nghiên cứu. Kết quả cho thấy lớp phủ thu được bằng quy trình điền đầy dây laser nhiều lớp và nhiều lần có hình thành vĩ mô tốt và không có khuyết tật rõ ràng như lỗ rỗng và vết nứt; lớp phủ chủ yếu bao gồm vùng ốp lát, vùng chồng lấn, vùng bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi pha, vùng nóng chảy và vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt; cấu trúc vật liệu gốc chủ yếu là ferit và perlit, và cấu trúc vi mô của lớp phủ chủ yếu là ferit, widmanstatten và martensite; do ảnh hưởng của cấu trúc vi mô và kích thước hạt, độ cứng của lớp phủ tổng thể là bậc thang và độ cứng trung bình của lớp phủ là 320.13 HV, cao hơn độ cứng của vật liệu gốc; trong dung dịch NaCl 3.5%, đường cong phân cực của lớp phủ cho thấy vùng thụ động hóa và khả năng chống ăn mòn của nó tốt hơn so với vật liệu gốc. Quy trình phủ lấp đầy dây laser nhiều lớp và nhiều lần có thể đáp ứng các yêu cầu chuẩn bị của lớp phủ trong kỹ thuật thực tế.
Từ khóa: Thép cacbon thấp Q345B; lớp phủ dây laser; xếp chồng trực giao chéo; cấu trúc vi mô và tính chất

Với sự phát triển của nền kinh tế và xã hội, nhu cầu về tài nguyên dầu khí biển của nước tôi tiếp tục tăng. Tập trung vào việc thăm dò và phát triển tài nguyên biển là nhu cầu thiết thực để phát triển ngành công nghiệp dầu khí của nước tôi [1-2]. Do môi trường dịch vụ phức tạp của các công trình kỹ thuật biển, chúng dễ bị hư hỏng hơn các công trình truyền thống. Do đó, việc bảo dưỡng hàng ngày các thiết bị kỹ thuật biển đã trở thành một vấn đề then chốt cần được giải quyết khẩn cấp [3]. Thép Q345B là thép cường độ cao hợp kim thấp có các tính chất toàn diện tốt và khả năng hàn tuyệt vời. Nó được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật biển và xây dựng cầu [4].

Là công nghệ phủ bảo vệ và sửa chữa tiên tiến, phủ laser cung cấp quy trình tạo hình gần dạng lưới hiệu quả để sửa chữa các bộ phận chính với độ chính xác cao và chuẩn bị lớp phủ có đặc tính vật liệu tiên tiến [5]. Trong quá trình phủ nhiều lớp và nhiều lần, các vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của các mối hàn liền kề chồng lên nhau, tạo thành các vùng đã trải qua hai hoặc nhiều chu kỳ nhiệt. Cấu trúc vi mô của các vùng này đặc biệt phức tạp [6] và pha thành phần cấu trúc vi mô, tốc độ kết tinh lại, cặn kết tủa và hình thái tạp chất thay đổi liên tục trong suốt quá trình [7]. Do đó, trong quá trình phủ nhiều lớp và nhiều lần, thường có những điểm yếu trong vùng phủ, dễ bị hỏng trong quá trình sử dụng. Ví dụ, ăn mòn điện phân và ăn mòn ứng suất thường được quan sát thấy gần các mối hàn của bình chịu áp suất trong quá trình sử dụng [8].

Wu et al. [9] đã sử dụng công nghệ ốp laze để chuẩn bị một lớp phủ Mo2NiB2 liên tục và dày đặc trên một nền thép. Lớp phủ có độ cứng cao, khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn tốt, cải thiện hiệu suất của nền và đảm bảo dịch vụ an toàn và ổn định của thiết bị kỹ thuật hàng hải. Li et al. [10] đã sử dụng lớp phủ dây laser để sửa chữa các bộ phận bị ăn mòn của bề mặt thép không gỉ 316L và thu được lớp phủ nhiều lớp nhiều lần bằng thép không gỉ 308L. Lớp phủ chủ yếu bao gồm austenit và một lượng nhỏ ferit, với độ bền kéo và độ giãn dài lần lượt là 548MPa và 40%, chiếm khoảng 86% và 74% của nền.

Trong bài báo này, công nghệ bọc dây bằng laser được sử dụng để chuẩn bị lớp phủ laser Q345B bằng cách xếp chồng trực giao chéo. Hình thái vĩ mô, cấu trúc vi mô, thành phần pha, độ cứng vi mô và khả năng chống ăn mòn của lớp phủ nhiều lớp nhiều lần được nghiên cứu, cung cấp cơ sở cho việc sửa chữa tại chỗ các công trình kỹ thuật hàng hải.

1 Thí nghiệm bọc dây bằng laser

1.1 Vật liệu thí nghiệm

Vật liệu nền thử nghiệm là thép cacbon Q345B, vật liệu bọc dây là dây thép hợp kim AFEW6-86 có đường kính 1.2 mm. Thành phần hóa học của hai loại này được thể hiện trong Bảng 1.

1.2 Quy trình bọc dây laser nhiều lớp và nhiều lần
Trong các ứng dụng kỹ thuật thực tế, phôi sẽ bị tác động bởi các lực theo các hướng khác nhau trong quá trình vận hành, do đó cần xem xét ảnh hưởng của tính dị hướng. Để giảm ảnh hưởng của tính dị hướng, đường đi của lớp phủ được lập kế hoạch, hướng cộng của các mối hàn trong cùng một lớp là nhất quán, hướng của các mối hàn trong các lớp xếp chồng liền kề vuông góc với nhau và các lớp là trực giao. Đường xếp chồng chéo trực giao của nó được thể hiện trong Hình 1.

Trong quá trình thử nghiệm ốp, khí bảo vệ là khí argon nguyên chất có độ tinh khiết của khí là 99.99%. Đầu tiên, một thử nghiệm trực giao được thực hiện bằng phương pháp ốp một lớp một lần để khám phá các thông số quy trình tối ưu cho ốp một lần; sau đó, một phương pháp xếp chồng một lần nhiều lớp được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của chiều cao nâng giữa các lớp đến chất lượng tạo hình mối hàn và thu được mối hàn một lần nhiều lớp với lớp ốp thẳng và hiệu ứng tạo hình tốt. Trên cơ sở trên, ảnh hưởng của các tỷ lệ chồng chéo khác nhau đến chất lượng tạo hình của lớp ốp đã được nghiên cứu và thấy rằng khi tỷ lệ chồng chéo là 40%, chiều cao giữa mỗi lần đi qua của lớp ốp tương đối đồng đều, sự hình thành bề mặt tương đối phẳng và liên kết kim loại giữa mỗi lần đi qua là mạnh nhất. Chiều cao nâng giữa các lớp thử nghiệm là 0.8 mm cho mỗi hai lớp đầu tiên và 0.7 mm cho mỗi lớp tiếp theo. Các thông số thử nghiệm cụ thể được thể hiện trong Bảng 2.

1.3 Phương pháp phân tích và thử nghiệm lớp ốp
Cắt dây được sử dụng để cắt các mẫu kim loại học từ lớp phủ nhiều lớp và nhiều lần đã chuẩn bị. Bề mặt mẫu được mài sau khi nhúng bằng nhựa epoxy ở nhiệt độ phòng. Giấy nhám có độ nhám khác nhau được sử dụng để đánh bóng cho đến khi không còn vết xước. Sau đó, mẫu được đánh bóng bằng máy đánh bóng để thu được mặt cắt mẫu kim loại học có hiệu ứng gương. Mẫu bị ăn mòn bằng dung dịch axit nitric 4% cồn để khắc ra giao diện lớp phủ có thể nhìn thấy, rửa sạch bằng cồn và thổi khô, và cấu trúc vi mô của mẫu được quan sát bằng kính hiển vi kim loại học; thành phần pha và sự tiến hóa của lớp phủ được quét và phân tích trong phạm vi 30°~100° bằng công nghệ nhiễu xạ tia X; phân tích nguyên tố hóa học của lớp phủ được thực hiện bằng máy quang phổ năng lượng; độ cứng vi mô của các khu vực khác nhau của mặt cắt lớp phủ được kiểm tra bằng máy kiểm tra độ cứng Vickers HVS-1000Z; Đường cong phân cực và phổ trở kháng của lớp phủ và vật liệu gốc đã được thử nghiệm trong dung dịch NaCl 3.5% bằng cách sử dụng trạm làm việc điện hóa VersaSTAT 3F với điện cực calomel bão hòa làm điện cực tham chiếu và điện cực platin làm điện cực phụ, khả năng chống ăn mòn của chúng đã được so sánh và phân tích.

2 Kết quả thực nghiệm và phân tích
2.1 Phân tích hình thái vĩ mô của lớp phủ
Lớp phủ chứa dây laser được chế tạo bằng thí nghiệm xếp chồng chéo trực giao gồm 29 (chiều dài) × 15 (chiều rộng) × 12 lớp (chiều cao). Lớp phủ có hiệu ứng tạo hình tốt, bề mặt nhẵn, không có khuyết tật vĩ mô như vết nứt và không nóng chảy, và chiều cao thẳng đứng rõ ràng. Hình thái vĩ mô của lớp phủ được thể hiện trong Hình 2. Trong thí nghiệm phủ dây laser nhiều lớp nhiều lần, quá trình phủ của lớp sau sẽ tạo ra phản ứng nóng chảy lại trên lớp phủ trước đó, dẫn đến dòng chảy xuống ở mép của lớp phủ. Đồng thời, trong quá trình phủ, do có sự chậm trễ nhất định trong hướng dẫn bắt đầu và kết thúc của đầu ra ánh sáng laser, nên chiều cao của cạnh của lớp phủ sẽ thấp hơn một chút so với phần giữa.

Hình 3 cho thấy hình thái mặt cắt ngang của lớp phủ laser nhiều lớp nhiều lần. Không tìm thấy khuyết tật nào như lỗ chân lông, vết nứt và tạp chất. Một liên kết kim loại dày đặc được hình thành giữa kim loại phủ và vật liệu nền. Có chiều cao thẳng đứng rõ ràng và độ dày của lớp phủ là 11.5 mm.

2.2 Phân tích vi cấu trúc lớp phủ
Quá trình làm mát vũng hàn là quá trình thay đổi pha, cấu trúc vi mô của quá trình thay đổi pha phụ thuộc vào thành phần hóa học và điều kiện làm mát của kim loại mối hàn [11]. Cấu trúc vi mô của từng vùng của lớp phủ được quan sát bằng kính hiển vi kim loại học, như thể hiện trong Hình 4. Lớp phủ bao gồm vùng phủ (vùng phủ, CZ), vùng phủ (vùng chồng chéo, OZ), vùng bị ảnh hưởng bởi quá trình chuyển pha (vùng bị ảnh hưởng bởi quá trình chuyển pha, PAZ), vùng nóng chảy (vùng nóng chảy, FZ), vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt (vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt, HAZ) và kim loại nền (kim loại nền, BM) [12]. Cấu trúc vi mô của kim loại nền chủ yếu bao gồm ferit và một lượng nhỏ perlit. Nguyên tố chính Mn được thêm vào thép Q345B không chỉ có tác dụng tăng cường đáng kể cho ferit mà còn làm giảm nhiệt độ chuyển tiếp độ dai-giòn, tăng lượng perlit và cải thiện độ bền của perlit.

Hình 4(a) cho thấy cấu trúc vi mô của vùng phủ bên trong lớp phủ, được tạo thành từ ferit dạng thanh và kim, widmanstatten và một lượng nhỏ lath martensite. Do các lớp khác nhau, mỗi lớp phủ sẽ tạo ra hiệu ứng tôi luyện trên lớp trước đó, dẫn đến sự tinh chỉnh hạt đồng đều và ranh giới hạt rõ ràng; Hình 4(b) và (b-1) cho thấy cấu trúc vi mô của vùng nóng chảy, được tạo thành từ ferit và widmanstatten với sự phân bố hạt không đều; Hình 4(d) cho thấy cấu trúc vi mô của vùng chồng lấn của hai mối hàn bên trong lớp phủ. Vùng sáng trong hình là đường nóng chảy giữa hai mối hàn. Trong quá trình làm nguội, vũng nóng chảy sẽ hình thành ferit dạng cột theo hướng tản nhiệt. Do đó, vùng này chủ yếu được tạo thành từ ferit dạng cột và một lượng nhỏ perlit, như thể hiện trong Hình 4(d-1). Do tác động nhiệt kép, vùng chồng lấn có sự tinh chỉnh hạt đồng đều; Hình Hình 4 (d-2) là vùng bị ảnh hưởng bởi biến đổi pha, chủ yếu bao gồm ferit và Widmanstatten. Do ảnh hưởng của nhiệt biến đổi pha, kích thước hạt của vùng này lớn hơn một chút so với vùng chồng lấn; Hình 4 (e-1) là cấu trúc vi mô của vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt. Trong quá trình hàn, vùng phủ dưới trải qua quá trình ram, làm cho cấu trúc của vùng này được tinh chỉnh và phân bố hạt đồng đều. Nó chủ yếu bao gồm ferit hạt mịn và một lượng nhỏ perlit. Ferrit hạt mịn là sản phẩm biến đổi giữa ferit và bainit. Đây là cấu trúc vi mô có lợi trong quá trình luyện kim hàn [11].

Hình 5 là cấu trúc vi mô của lớp phủ cuối cùng. Lớp này không chịu tác động của quá trình gia nhiệt thứ cấp bằng laser. So với các lớp khác, lớp này có thể duy trì hình thái cấu trúc ban đầu. Kích thước hạt của lớp này đồng đều và cấu trúc đặc. Lớp này chủ yếu bao gồm ferit, Widmanstatten và lath martensite.

2.3 Phân tích XRD và EDS của lớp phủ
Để phân tích thành phần pha của lớp phủ laser, một mẫu có kích thước 10 mm×10 mm×8 mm đã được cắt bằng cách cắt dây và phân tích thử nghiệm nhiễu xạ tia X đã được thực hiện sau khi mài và đánh bóng. Hình 6 cho thấy phổ XRD của lớp phủ laser nhiều lớp nhiều lần và vật liệu gốc. Kết hợp kết quả vi cấu trúc và phổ XRD, có thể thấy rằng lớp phủ chủ yếu bao gồm một lượng lớn ferit, một phần martensite và widmanstattenite, và không xuất hiện các pha có hại khác. Vì ferit dạng cột sẽ được hình thành trong quá trình làm mát của hồ nóng chảy lớp phủ laser, nên lớp phủ chứa một lượng lớn ferit. Khi nhiệt lượng đầu vào của laser lớn trong quá trình hàn, cấu trúc vi mô của lớp phủ sẽ thô hơn ở một mức độ nhất định và kích thước hạt sẽ tăng lên. Lúc này, cấu trúc sẽ xuất hiện widmanstattenite và lath martensite quá nóng, và hai cấu trúc này được so le.

Thành phần hóa học được phân tích bằng cách quét điểm tại các vị trí khác nhau của mặt cắt mẫu. Các vị trí quét điểm được thể hiện trong Hình 7 và kết quả phân tích EDS của các khu vực khác nhau được thể hiện trong Bảng 3. Do hàm lượng Cr và Ni cao trong dây hàn, hàm lượng Cr và Ni của lớp phủ cao hơn đáng kể so với vật liệu gốc, làm cho khả năng chống ăn mòn của lớp phủ tốt hơn vật liệu gốc.

2.4 Phân tích độ cứng tế vi của lớp phủ
Độ cứng vi mô của mẫu đã được đo. Trong quá trình thử nghiệm, tải là 1000 g, thời gian giữ là 10 giây, đường đo theo hướng từ vật liệu gốc đến vùng ốp và khoảng cách giữa hai điểm lấy mẫu liền kề là 1 mm. Phân bố độ cứng vi mô từ vật liệu gốc đến vùng ốp được thể hiện trong Hình 8. Độ cứng vi mô trung bình của vật liệu gốc là 172.02 HV và độ cứng vi mô trung bình của lớp ốp là 320.13 HV. Cấu trúc vi mô của lớp ốp cuối cùng chứa một lượng lớn ferit, widmanstattenit và một lượng nhỏ lath martensite và perlit. Giá trị độ cứng của vùng cấu trúc vi mô này là cao nhất, là 325.92HV. Độ cứng trung bình của lớp ốp cao hơn nhiều so với độ cứng của vật liệu gốc, đáp ứng các yêu cầu về độ bền sửa chữa. Như thể hiện trong Hình 8, độ cứng của vùng ốp thường được phân bố theo kiểu bậc thang. Bởi vì trong quá trình điền đầy dây laser nhiều lớp và nhiều lần, mỗi lớp phủ sẽ có tác dụng tôi luyện sau khi nung nóng đối với lớp trước trong quá trình hình thành và tác dụng làm nóng trước đối với lớp tiếp theo. Lớp phủ cuối cùng có tác dụng làm nóng trước mà không cần tôi luyện sau khi nung nóng, thúc đẩy quá trình tinh chế hạt đồng đều và cải thiện đáng kể độ cứng.

2.5 Phân tích khả năng chống ăn mòn của lớp phủ
Hầu hết sự ăn mòn kim loại được thực hiện dưới dạng ăn mòn điện hóa và quá trình ăn mòn đi kèm với sự tạo ra dòng điện, giống như pin sơ cấp [13-14]. Để kiểm tra hiệu suất ăn mòn điện hóa của lớp phủ nhiều lớp và nhiều lần đi qua, mẫu vật được đặt trong dung dịch NaCl 3.5% để kiểm tra đường cong phân cực Tafel và phổ trở kháng của nó.

Đường cong phân cực của lớp phủ và vật liệu nền được thể hiện trong Hình 9. Có thể thấy rằng đường cong phân cực của lớp phủ có một vùng thụ động hóa, chỉ ra rằng một lớp oxit dày đặc được hình thành trên bề mặt của lớp phủ trong quá trình ăn mòn. Các nguyên tố như Cr, Ni và Si trong lớp oxit cải thiện độ ổn định thụ động hóa, cản trở sự khuếch tán của các ion và cải thiện khả năng chống ăn mòn. Điện thế tự ăn mòn Ecorr và mật độ dòng điện tự ăn mòn Icorr của lớp phủ và vật liệu nền thu được bằng cách khớp dữ liệu, như thể hiện trong Bảng 4. Điện thế tự ăn mòn Ecorr của kim loại trong dung dịch điện phân phản ánh độ nhạy của nó với sự ăn mòn và là một chỉ báo về khả năng chống ăn mòn điện hóa của vật liệu. Điện thế tự ăn mòn càng nhỏ, kim loại càng dễ mất electron và khả năng chống ăn mòn của nó càng yếu; điện thế tự ăn mòn càng lớn, kim loại càng khó mất electron và khả năng chống ăn mòn của nó càng mạnh[14]. Như có thể thấy từ Bảng 4, thế tự ăn mòn của lớp ốp cao hơn thế của vật liệu nền, cho thấy lớp ốp có khả năng chống ăn mòn mạnh. Mật độ dòng tự ăn mòn Icorr tỷ lệ thuận với tốc độ ăn mòn. Dòng ăn mòn càng lớn thì tốc độ ăn mòn của vật liệu càng nhanh và khả năng chống ăn mòn càng kém. Như có thể thấy từ dữ liệu trong Bảng 4, thế tự ăn mòn của vật liệu nền cao hơn thế của lớp ốp, cho thấy khả năng chống ăn mòn của vật liệu nền kém. Do đó, bằng cách so sánh kích thước của thế tự ăn mòn và dòng tự ăn mòn, có thể kết luận rằng khả năng chống ăn mòn của lớp ốp tốt hơn vật liệu nền.

Lớp ốp và vật liệu nền được thử nghiệm bằng phương pháp quang phổ trở kháng (EIS), và phổ trở kháng Nyquist của hai mẫu được thể hiện trong Hình 10. Z' và Z” lần lượt là phần thực và phần ảo của trở kháng Z được đo. Cả lớp ốp và vật liệu nền đều có đặc tính hồ quang điện dung duy nhất. Bán kính hồ quang điện dung càng lớn thì trở kháng tổng của mẫu càng lớn và khả năng chống ăn mòn càng mạnh. Như thể hiện trong Hình 10, bán kính hồ quang điện dung của lớp ốp lớn hơn đáng kể so với bán kính hồ quang điện dung của vật liệu nền. Do đó, điện trở phân cực của lớp ốp lớn hơn, cho thấy tốc độ ăn mòn của lớp ốp thấp hơn và khả năng chống ăn mòn mạnh hơn, điều này phù hợp với kết quả của đường cong phân cực thế động.

Tóm lại, khả năng chống ăn mòn của lớp ốp tốt hơn so với vật liệu nền. Đầu tiên, vật liệu ốp sử dụng dây hàn AFEW6-86, có hàm lượng Cr và Ni cao hơn vật liệu nền, do đó lớp ốp có khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn cao hơn. Trong môi trường ăn mòn, khi Cr phản ứng với các nguyên tố O, một lớp màng oxit chống ăn mòn sẽ được hình thành trên bề mặt, lớp màng này sẽ tách bề mặt kim loại khỏi môi trường ăn mòn, làm giảm quá trình hòa tan của anot và làm giảm tốc độ hòa tan của kim loại ốp, do đó cải thiện khả năng chống ăn mòn của lớp ốp. Khả năng chống ăn mòn được cải thiện [15-16]. Lý do thứ hai là sự phân bố kích thước hạt trong lớp ốp đồng đều hơn do nhiệt lượng đầu vào tăng lên.

Kết luận 3
(1) Lớp phủ thu được bằng phương pháp đa lớp và đa đường quy trình hàn dây laser có sự hình thành vĩ mô tốt, không có khuyết tật rõ ràng như lỗ rỗng và vết nứt, và liên kết kim loại tốt được hình thành giữa lớp phủ và vật liệu gốc. Có sự chồng chất theo chiều dọc đáng kể và độ dày của lớp phủ là 11.5mm.
(2) Lớp phủ chủ yếu được tạo thành từ ferit, widmanstatten và lath martensite. Hàm lượng Cr và Ni trong lớp phủ cao hơn hàm lượng trong vật liệu gốc. Các nguyên tố Cr và Ni cải thiện độ ổn định của màng thụ động, cản trở sự khuếch tán của các ion và cải thiện khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn của lớp phủ. Ngoài ra, do nhiệt lượng đầu vào tăng lên, sự phân bố kích thước hạt trong lớp phủ đồng đều hơn, do đó khả năng chống ăn mòn của lớp phủ tốt hơn so với vật liệu gốc.
(3) Độ cứng trung bình của vật liệu gốc là 172.02HV, độ cứng trung bình của lớp phủ là 320.13HV, độ cứng của lớp phủ cao hơn nhiều so với độ cứng của vật liệu gốc. Do ảnh hưởng của cấu trúc vi mô và kích thước hạt, độ cứng của khu vực phủ biểu hiện xu hướng phân bố theo bậc thang như một tổng thể.