東南大學孫桂芳教授團隊水下激光直接金屬沉積技術

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導讀：針對海洋工程裝備的原位修復重大需求，東南大學孫桂芳教授團隊將陸上的激光金屬沉積技術（定向能量沉積技術之一）拓展至水下環(huán)境，成功實現(xiàn)0~35 m水深（0.01~0.35 MPa）處受損海工裝備的原位修復。


針對海洋工程裝備的原位修復重大需求，東南大學孫桂芳教授團隊將陸上的激光金屬沉積技術（定向能量沉積技術之一）拓展至水下環(huán)境，成功實現(xiàn)0~35 m水深（0.01~0.35 MPa）處受損海工裝備的原位修復。搭建了水下激光直接金屬沉積技術(Underwater laser direct metal deposition, UDMD)的裝備集成制造、研究了水下環(huán)境對原位修復成型性能的影響機制。本文基于三種典型的海工用鋼，針對UDMD技術所存在的共性及個性基礎問題分別進行了討論。研究成果表明水下環(huán)境對修復試樣的微觀組織演變、相析出、元素分布有顯著影響。水下修復試樣的綜合力學性能與陸上修復試樣的相當甚至更優(yōu)。本研究奠定了直接金屬沉積技術在海洋工程領域應用的基礎，同時為水下修復技術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致結構件發(fā)生難以預料的損壞，開展受損部件的水下原位修復可極大地提高海工裝備服役壽命。為應對現(xiàn)有水下原位修復所面臨的高成本、低效率、修復質量差等系列問題，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，該技術可高效、高柔性、高質量、低成本地實現(xiàn)海工用鋼的水下原位修復。

2. UDMD實驗

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、空壓機及其它配套設備。在密封的壓力容器內開展UDMD實驗，通過向壓力容器內注入壓縮空氣模擬水下壓力環(huán)境�；�于安裝在熔覆頭上的排水罩，實現(xiàn)沉積區(qū)域穩(wěn)定的局部干區(qū)�；�于水下運動平臺，實現(xiàn)熔覆頭的空間三維運動。設計掃描軌跡實現(xiàn)受損區(qū)域的高效快速修復。

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

3. 共性基礎問題

3.1 水下環(huán)境

水下環(huán)境對熔池的影響主要體現(xiàn)在四個方面。（1）水下高壓環(huán)境壓力壓縮熔池表面。（2）水環(huán)境對基板的強制冷卻，提高熔池的冷卻速率。（3）采用大流量的送粉氣、保護氣和載氣以保證較高的成型，但大流量氣體會進一步加快熔池散熱，提升冷卻速率。（4）修復后的沉積層直接暴露于水環(huán)境中，水的淬冷作用會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過程散熱邊界條件對比圖。（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

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

3.3 熔池對流

在水下高壓環(huán)境及局部干區(qū)內增強的氣體雙重作用下，水下環(huán)境中產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的Marangoni對流得到加強，從而改善了熔池內元素偏析及組織不均勻性等問題。

圖4 陸上水下熔池對流對比，(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，水對基板的激冷作用及局部干區(qū)內大氣流加快熔池散熱，故水下熔池內的冷卻速率較陸上中會有大幅提升，從而細化晶粒，提高位錯密度。

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

3.5 高壓氮化

在氮氣保護氛圍下開展水下激光直接能量沉積修復，水下高壓環(huán)境提高了熔池內氮的溶解度和沉積層的氮含量。

4 個性基礎問題

4.1 水下HNS修復

4.1.1 水下環(huán)境對IHT效應的影響

水對基板的強制冷卻作用不利于水下修復試樣的熱積累，從而顯著降低了沉積層間的本征熱處理效應（IHT）。修復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區(qū)域的高溫（1000 ℃-600 ℃）持續(xù)時間。

圖6 陸上及水下試樣的熱積累及高溫持續(xù)時間對比結果

4.1.2 水下環(huán)境對HNS修復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了修復試樣中富Cr碳化物析出。不同沉積層間的IHT效應及冷卻過程中所帶來的高溫持續(xù)時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了不穩(wěn)定的奧氏體轉變?yōu)殍F素體和晶內層片狀碳化物。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能，導致水下試樣中孿晶和層錯的出現(xiàn)。

圖7 陸上及水下試樣不同沉積層間微觀組織對比

圖8 陸上及水下試樣的微觀組織演變對比結果

4.1.2 水下環(huán)境對HNS修復試樣力學性能的影響

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

圖9 陸上及水下試樣的力學性能對比結果

4.2 NV E690鋼修復方面

4.2.1 水下環(huán)境對NV E690鋼修復試樣微觀組織的影響

與陸上DMD修復試樣相比，水的淬火效應提高了UDMD試樣的位錯密度，高冷卻速率抑制了板條馬氏體向回火馬氏體的轉變，降低了沉積層的本征熱處理效應(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鋼修復試樣內(Ti, V)N 顆粒的析出動力學分析

水下環(huán)境的高壓氮化導致NV E690鋼沉積層內溶解的氮含量是陸上試樣的2倍左右，這導致了由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析出動力學計算結果

圖12 (Ti, V)N顆粒的析出過程及強化機理

4.2.3 水下環(huán)境對NV E690鋼修復試樣力學性能的影響

與陸上DMD修復樣品相比，水的淬火作用導致UDMD修復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，當水下環(huán)境壓力P ≤ 25MPa時，UDMD試樣拉伸斷裂于修復區(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系。當P = 0.35 MPa時, 加壓氮化析出的熱穩(wěn)定的（Ti, V）N顆粒強化了修復區(qū)，UDMD修復試樣拉伸斷裂于母材。

圖 13 陸上修復試樣和水下修復試樣的拉伸性能

4.3 HSLA-100鋼修復方面

4.3.1 水下環(huán)境對HSLA-100鋼修復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。而陸上樣品內的初生奧氏體晶粒中產生了孿生相關關系變體對(V1/V2)。轉變后的孿晶馬氏體與初生的奧氏體晶粒保持Kurdjumov-Sachs取向關系。

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HSLA-100鋼納米Cu析出動力學影響

水下試樣馬氏體板條內部分布有大量的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，而板條內部為隨機取向。陸上沉積試樣組織內部同樣有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 水下修復試樣和陸上修復試樣的納米Cu析出特征對比

4.3.3 水下環(huán)境對HSLA-100鋼修復試樣力學性能的影響

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的板條組織、較高的位錯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，說明修復區(qū)具有較高的強度和良好的冶金結合性，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)域為韌性斷裂。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致修復區(qū)的硬度和機械強度較低，另一方面是較大的熱輸入導致熱影響區(qū)的組織較為粗大。

5. UDMD修復數(shù)據(jù)匯總

UDMD修復和DMD修復后各種海工材料的力學性能相當，雖然低溫沖擊韌性略有降低，但是針對海工鋼材，都可以滿足ISO 16834：2006 標準規(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(UDMD)，開展了針對不同海工鋼的水下原位修復實驗。研究結果揭示了水下環(huán)境對熔池傳熱、傳質及元素分布的影響機理。闡明了水下沉積工藝-組織-力學性能關聯(lián)機制。此外，首次將傳統(tǒng)的加壓氮化理論應用于水下原位修復領域，為在后續(xù)大水深原位沉積高氮沉積層提供了理論基礎。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。

本文由由孫桂芳團隊供稿。

課題組在水下直接金屬沉積領域已發(fā)表的學術論文

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