東南大學(xué)孫桂芳教授團(tuán)隊(duì)水下激光直接金屬沉積技術(shù)

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：針對(duì)海洋工程裝備的原位修復(fù)重大需求,，東南大學(xué)孫桂芳教授團(tuán)隊(duì)將陸上的激光金屬沉積技術(shù)（定向能量沉積技術(shù)之一）拓展至水下環(huán)境,，成功實(shí)現(xiàn)0~35 m水深（0.01~0.35 MPa）處受損海工裝備的原位修復(fù),。


針對(duì)海洋工程裝備的原位修復(fù)重大需求，東南大學(xué)孫桂芳教授團(tuán)隊(duì)將陸上的激光金屬沉積技術(shù)（定向能量沉積技術(shù)之一）拓展至水下環(huán)境,，成功實(shí)現(xiàn)0~35 m水深（0.01~0.35 MPa）處受損海工裝備的原位修復(fù),。搭建了水下激光直接金屬沉積技術(shù)(Underwater laser direct metal deposition, UDMD)的裝備集成制造、研究了水下環(huán)境對(duì)原位修復(fù)成型性能的影響機(jī)制,。本文基于三種典型的海工用鋼,，針對(duì)UDMD技術(shù)所存在的共性及個(gè)性基礎(chǔ)問題分別進(jìn)行了討論。研究成果表明水下環(huán)境對(duì)修復(fù)試樣的微觀組織演變,、相析出,、元素分布有顯著影響,。水下修復(fù)試樣的綜合力學(xué)性能與陸上修復(fù)試樣的相當(dāng)甚至更優(yōu),。本研究奠定了直接金屬沉積技術(shù)在海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ),，同時(shí)為水下修復(fù)技術(shù)提供了一種新型的備選方案。

1. 背景

海洋工程裝備經(jīng)常遭受表面損傷從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件發(fā)生難以預(yù)料的損壞,，開展受損部件的水下原位修復(fù)可極大地提高海工裝備服役壽命,。為應(yīng)對(duì)現(xiàn)有水下原位修復(fù)所面臨的高成本、低效率,、修復(fù)質(zhì)量差等系列問題,，本課題組提出基于送粉式的水下局部干法直接金屬沉積技術(shù)，該技術(shù)可高效,、高柔性,、高質(zhì)量、低成本地實(shí)現(xiàn)海工用鋼的水下原位修復(fù),。

2. UDMD實(shí)驗(yàn)

如圖1所示,，UDMD系統(tǒng)主要包括：激光器、激光熔覆頭,、壓力容器,、空壓機(jī)及其它配套設(shè)備。在密封的壓力容器內(nèi)開展UDMD實(shí)驗(yàn),，通過向壓力容器內(nèi)注入壓縮空氣模擬水下壓力環(huán)境,。基于安裝在熔覆頭上的排水罩,，實(shí)現(xiàn)沉積區(qū)域穩(wěn)定的局部干區(qū),。基于水下運(yùn)動(dòng)平臺(tái),，實(shí)現(xiàn)熔覆頭的空間三維運(yùn)動(dòng),。設(shè)計(jì)掃描軌跡實(shí)現(xiàn)受損區(qū)域的高效快速修復(fù)。

圖1 (a) UDMD設(shè)備示意圖, (b) 模擬損傷區(qū)域的基板, (c) 球形粉末作為填充材料, (d) 同軸相機(jī)拍攝的實(shí)時(shí)熔池形貌,。

3. 共性基礎(chǔ)問題

3.1 水下環(huán)境

水下環(huán)境對(duì)熔池的影響主要體現(xiàn)在四個(gè)方面,。（1）水下高壓環(huán)境壓力壓縮熔池表面。（2）水環(huán)境對(duì)基板的強(qiáng)制冷卻,，提高熔池的冷卻速率,。（3）采用大流量的送粉氣、保護(hù)氣和載氣以保證較高的成型,，但大流量氣體會(huì)進(jìn)一步加快熔池散熱,，提升冷卻速率。（4）修復(fù)后的沉積層直接暴露于水環(huán)境中,，水的淬冷作用會(huì)使凝固組織快速冷卻,。

圖2 陸上水下激光直接金屬沉積修復(fù)過程散熱邊界條件對(duì)比圖。（a）水下,。（b）陸上

圖3 陸上水下激光直接金屬沉積過程示意圖,。（a,，b）陸上；（c,，d）水下,。

3.2 溫度歷程

有限元仿真和實(shí)際熱電偶測(cè)量結(jié)果表明：水下環(huán)境更有利于熔池散熱，降低了水下修復(fù)試樣的熱積累,，并且水下熔池尺寸稍小于陸上熔池尺寸,。

3.3 熔池對(duì)流

在水下高壓環(huán)境及局部干區(qū)內(nèi)增強(qiáng)的氣體雙重作用下，水下環(huán)境中產(chǎn)生的熔池被壓縮并趨于扁平化,。此外,，在氣流的作用下熔池內(nèi)的Marangoni對(duì)流得到加強(qiáng)，從而改善了熔池內(nèi)元素偏析及組織不均勻性等問題,。

圖4 陸上水下熔池對(duì)流對(duì)比,，(a-c)陸上，(d-f)水下環(huán)境

3.4 凝固組織尺寸

在水下激光直接金屬沉積過程中,，水對(duì)基板的激冷作用及局部干區(qū)內(nèi)大氣流加快熔池散熱,，故水下熔池內(nèi)的冷卻速率較陸上中會(huì)有大幅提升，從而細(xì)化晶粒,，提高位錯(cuò)密度,。

圖5 陸上水下凝固組織晶粒尺寸對(duì)比，(a-c)水下環(huán)境,，(d-f)陸上環(huán)境

3.5 高壓氮化

在氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下開展水下激光直接能量沉積修復(fù),，水下高壓環(huán)境提高了熔池內(nèi)氮的溶解度和沉積層的氮含量。

4 個(gè)性基礎(chǔ)問題

4.1 水下HNS修復(fù)

4.1.1 水下環(huán)境對(duì)IHT效應(yīng)的影響

水對(duì)基板的強(qiáng)制冷卻作用不利于水下修復(fù)試樣的熱積累,，從而顯著降低了沉積層間的本征熱處理效應(yīng)（IHT）,。修復(fù)完成后沉積材料暴露在水環(huán)境中，水的淬冷作用減少了修復(fù)區(qū)域的高溫（1000 ℃-600 ℃）持續(xù)時(shí)間,。

圖6 陸上及水下試樣的熱積累及高溫持續(xù)時(shí)間對(duì)比結(jié)果

4.1.2 水下環(huán)境對(duì)HNS修復(fù)試樣微觀組織的影響

與陸上試樣相比,，水下環(huán)境造成的高冷卻促進(jìn)了修復(fù)試樣中富Cr碳化物析出。不同沉積層間的IHT效應(yīng)及冷卻過程中所帶來的高溫持續(xù)時(shí)間差異直接影響了層間碳化物形貌及含量,。陸上試樣在緩慢空冷過程中促進(jìn)了不穩(wěn)定的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和晶內(nèi)層片狀碳化物,。此外，水下環(huán)境中增大的環(huán)境壓力提升了氮在熔池中的溶解度從而降低了層錯(cuò)能,，導(dǎo)致水下試樣中孿晶和層錯(cuò)的出現(xiàn),。

圖7 陸上及水下試樣不同沉積層間微觀組織對(duì)比

圖8 陸上及水下試樣的微觀組織演變對(duì)比結(jié)果

4.1.2 水下環(huán)境對(duì)HNS修復(fù)試樣力學(xué)性能的影響

水冷效應(yīng)細(xì)化了水下試樣中的碳化物，其對(duì)沖擊韌性的負(fù)面影響稍有改善,，配合細(xì)晶強(qiáng)化的正面影響,，故水下試樣的沖擊韌性稍好于陸上試樣。雖然修復(fù)試樣是奧氏體基體，但試樣內(nèi)部普遍存在的碳化物使得沖擊韌性顯著弱于同類產(chǎn)品,。富Cr碳化物的析出弱化了奧氏體基體的固溶強(qiáng)化,，高的能量輸入抑制碳化物析出，使更多的Cr固溶在基體中,，在位錯(cuò)強(qiáng)化有所減弱的情況下仍帶來了更高的拉伸強(qiáng)度，優(yōu)于同類產(chǎn)品,。

圖9 陸上及水下試樣的力學(xué)性能對(duì)比結(jié)果

4.2 NV E690鋼修復(fù)方面

4.2.1 水下環(huán)境對(duì)NV E690鋼修復(fù)試樣微觀組織的影響

與陸上DMD修復(fù)試樣相比,，水的淬火效應(yīng)提高了UDMD試樣的位錯(cuò)密度，高冷卻速率抑制了板條馬氏體向回火馬氏體的轉(zhuǎn)變,，降低了沉積層的本征熱處理效應(yīng)(IHT),。此外，在0.35 MPa壓力下,，在沉積層中發(fā)現(xiàn)（Ti, V）N納米顆粒的析出,。

圖10 微觀組織形貌

4.2.2 NV E690鋼修復(fù)試樣內(nèi)(Ti, V)N 顆粒的析出動(dòng)力學(xué)分析

水下環(huán)境的高壓氮化導(dǎo)致NV E690鋼沉積層內(nèi)溶解的氮含量是陸上試樣的2倍左右，這導(dǎo)致了由TiN和VN互溶而形成的（Ti, V）N納米顆粒的析出,。理論計(jì)算表明,，VN在先析出的TiN顆粒上形核，最終形成（Ti, V）N顆粒,。此外,，（Ti, V）N顆粒因具有極高的溶解溫度和極低的粗化速率而呈現(xiàn)出高度熱穩(wěn)定性。

圖11 氮在液相熔池中的溶解度及TiN和VN析出動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果

圖12 (Ti, V)N顆粒的析出過程及強(qiáng)化機(jī)理

4.2.3 水下環(huán)境對(duì)NV E690鋼修復(fù)試樣力學(xué)性能的影響

與陸上DMD修復(fù)樣品相比,，水的淬火作用導(dǎo)致UDMD修復(fù)樣品具有較高的硬度,。所有樣品在常溫下均為韌性拉伸斷裂，此外,，當(dāng)水下環(huán)境壓力P ≤ 25MPa時(shí),，UDMD試樣拉伸斷裂于修復(fù)區(qū),，試樣的拉伸性能和低溫沖擊性能與水下環(huán)境壓力之間沒有明顯的關(guān)系。當(dāng)P = 0.35 MPa時(shí), 加壓氮化析出的熱穩(wěn)定的（Ti, V）N顆粒強(qiáng)化了修復(fù)區(qū)，UDMD修復(fù)試樣拉伸斷裂于母材,。

圖 13 陸上修復(fù)試樣和水下修復(fù)試樣的拉伸性能

4.3 HSLA-100鋼修復(fù)方面

4.3.1 水下環(huán)境對(duì)HSLA-100鋼修復(fù)試樣微觀組織的影響

EBSD分析表明水下樣品的初生奧氏體邊界較為模糊，水下樣品的初生奧氏體尺寸小于陸上樣品的初生奧氏體尺寸,，水下樣品中的馬氏體板條塊體較為明顯,。而陸上樣品內(nèi)的初生奧氏體晶粒中產(chǎn)生了孿生相關(guān)關(guān)系變體對(duì)(V1/V2)。轉(zhuǎn)變后的孿晶馬氏體與初生的奧氏體晶粒保持Kurdjumov-Sachs取向關(guān)系,。

圖14 (a, b)水下微觀組織形貌,，(c, d)陸上微觀組織形貌

4.3.2 水下環(huán)境對(duì)HSLA-100鋼納米Cu析出動(dòng)力學(xué)影響

水下試樣馬氏體板條內(nèi)部分布有大量的ε-Cu納米析出相，這些析出相的等效直徑約為12.2 ± 3.0 nm,。邊界處的ε-Cu納米析出相的長軸平行于邊界,，而板條內(nèi)部為隨機(jī)取向。陸上沉積試樣組織內(nèi)部同樣有ε-Cu納米析出，這些析出相外觀為近似球形,，邊界較為模糊,，尺寸略大于水下試樣的析出相尺寸。

圖 15 水下修復(fù)試樣和陸上修復(fù)試樣的納米Cu析出特征對(duì)比

4.3.3 水下環(huán)境對(duì)HSLA-100鋼修復(fù)試樣力學(xué)性能的影響

水下沉積試樣的平均顯微硬度高于陸上沉積試樣,，這主要是由于水下沉積試樣具有較細(xì)的板條組織,、較高的位錯(cuò)密度和較多的納米析出相造成的。而陸上沉積試樣由于較慢的散熱速率造成組織發(fā)生自回火,，降低了晶內(nèi)缺陷密度,，因而降低了顯微硬度。

水下30 m沉積試樣均斷裂在基體上,，說明修復(fù)區(qū)具有較高的強(qiáng)度和良好的冶金結(jié)合性,，能夠滿足焊接件的要求�,；�體斷裂處斷口主要由韌窩組成,，表明基體區(qū)域?yàn)轫g性斷裂。陸上沉積試樣斷裂在熱影響區(qū),，一方面是由于自回火作用導(dǎo)致修復(fù)區(qū)的硬度和機(jī)械強(qiáng)度較低,，另一方面是較大的熱輸入導(dǎo)致熱影響區(qū)的組織較為粗大。

5. UDMD修復(fù)數(shù)據(jù)匯總

UDMD修復(fù)和DMD修復(fù)后各種海工材料的力學(xué)性能相當(dāng),，雖然低溫沖擊韌性略有降低,，但是針對(duì)海工鋼材，都可以滿足ISO 16834：2006 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定-40 ℃沖擊韌性不低于27 J的要求,。

6. 啟示

本研究將傳統(tǒng)的陸上DMD技術(shù)拓展至水下環(huán)境,，基于送粉式的水下激光直接金屬沉積技術(shù)(UDMD)，開展了針對(duì)不同海工鋼的水下原位修復(fù)實(shí)驗(yàn),。研究結(jié)果揭示了水下環(huán)境對(duì)熔池傳熱,、傳質(zhì)及元素分布的影響機(jī)理。闡明了水下沉積工藝-組織-力學(xué)性能關(guān)聯(lián)機(jī)制,。此外,，首次將傳統(tǒng)的加壓氮化理論應(yīng)用于水下原位修復(fù)領(lǐng)域，為在后續(xù)大水深原位沉積高氮沉積層提供了理論基礎(chǔ),。本研究所作工作可為水下激光加工提供理論依據(jù)及數(shù)據(jù)基礎(chǔ),。

本文由由孫桂芳團(tuán)隊(duì)供稿。

課題組在水下直接金屬沉積領(lǐng)域已發(fā)表的學(xué)術(shù)論文

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