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腐蝕頂刊:水下激光增材制造鋼的腐蝕性能

3D打印前沿
2023
05/09
15:33
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評(píng)論
來(lái)源:長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

黨的二十大報(bào)告提出“著力推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展,加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”。經(jīng)略海洋,裝備先行,加快發(fā)展海洋工程裝備制造業(yè),是努力拓展藍(lán)色發(fā)展空間,打造海洋高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略要地的前提是。然而,高溫、高濕、高鹽強(qiáng)腐蝕環(huán)境造成海洋工程裝備鋼結(jié)構(gòu)腐蝕失效,降低服役壽命。針對(duì)大型海洋工程裝備的腐蝕損傷,原位制備高性能耐蝕涂層以恢復(fù)損傷區(qū)域性能,可極大延長(zhǎng)裝備服役壽命,保障裝備高可靠與長(zhǎng)周期服役安全。當(dāng)前海洋鋼結(jié)構(gòu)涂層制備技術(shù)包括熱噴涂(火焰、電弧、等離子噴涂)和冷噴涂,噴涂層存在附著力低、易龜裂和孔隙率高等問(wèn)題,海洋環(huán)境服役涂層極易剝離失效。同時(shí),噴涂技術(shù)無(wú)法在水下環(huán)境直接實(shí)施,難以實(shí)現(xiàn)腐蝕損傷區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)。因此,亟需探索水下現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)新方法以實(shí)現(xiàn)水下高質(zhì)量冶金修復(fù)和高耐蝕涂層形成,恢復(fù)受損構(gòu)件服役性能。

激光直接金屬沉積(Direct metal deposition, DMD)是一種合金粉末為原料,通過(guò)高功率激光原位冶金熔化/快速凝固逐層堆積的直接凈成型制造技術(shù)。該技術(shù)在大型工程裝備的修復(fù)/再制造領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。針對(duì)海洋工程裝備水下原位修復(fù)腐蝕損傷的重大工程需求,東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院孫桂芳教授團(tuán)隊(duì)將常規(guī)的DMD技術(shù)拓展至水下環(huán)境,突破水環(huán)境的限制,開發(fā)了水下激光直接金屬沉積技術(shù)(Underwater direct metal deposition, UDMD)。針對(duì)NV E690海工高強(qiáng)鋼的腐蝕磨損問(wèn)題,采用UDMD技術(shù)修復(fù)受損梯形槽并制備316L不銹鋼涂層,從而極大地以提高修復(fù)區(qū)表面的防腐性能。相關(guān)的研究成果以題《Corrosion performance of NV E690 steel and 316L stainless steel coating fabricated by underwater direct metal deposition》發(fā)表在《Corrosion Science》上。該研究得到了GF基礎(chǔ)科研重點(diǎn)項(xiàng)目及JKW 173技術(shù)領(lǐng)域基金等的支持。


主要研究?jī)?nèi)容:

針對(duì)海洋工程裝備的腐蝕損傷,本研究采用UDMD技術(shù)在30 m的模擬水深下原位修復(fù)NV E690梯形槽并沉積316L不銹鋼涂層以改善修復(fù)區(qū)的耐蝕性能,成功制備梯度耐蝕涂層(圖1)。結(jié)果表明:NV E690沉積層(樣品U1)、單層316L沉積層(樣品U2)和雙層316L沉積層(樣品U3)的上表面均為馬氏體(圖2)。在3.5 wt% NaCl溶液中,樣品的耐蝕性能順序?yàn)閁3 > U2 > U1 ≈ 母材。


圖1 實(shí)驗(yàn)和方法。(a) UDMD實(shí)驗(yàn)整體系統(tǒng)組成。(b)水下局部干區(qū)修復(fù)梯形槽原理圖。(c)Z字形沉積軌跡。(d)實(shí)際修復(fù)樣品。(e) 三種梯形槽修復(fù)策略。(f)UDMD加工過(guò)程熔池的同軸圖像。


圖2 微觀組織。(a)NV E690馬氏體修復(fù)層。(b,c)樣品U2及樣品U3的橫截面及對(duì)應(yīng)的局部區(qū)域能譜圖。(d)樣品U3表面的馬氏體結(jié)構(gòu)。(e-g)樣品U2和樣品U3的宏觀偏析形貌。

NV E690母材的組織結(jié)構(gòu)較為均勻,NV E690沉積層(樣品U1)的組織結(jié)構(gòu)存在強(qiáng)烈的各向異性。組織結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致母材和樣品U1在陽(yáng)極區(qū)表面分別產(chǎn)生均勻腐蝕和局部微點(diǎn)蝕(圖3、圖4)。樣品U1和母材的極化曲線和電化學(xué)阻抗譜結(jié)果表明,盡管兩個(gè)樣品表面的組織結(jié)構(gòu)存在差異,但二者的耐腐蝕性能相當(dāng)(圖5)。然而,水下原位修復(fù)的NV E690鋼仍然受到富氯化物環(huán)境的嚴(yán)重腐蝕。


圖3 極化曲線測(cè)試后樣品的腐蝕形貌。(a) 樣品U1呈現(xiàn)出無(wú)數(shù)的微小點(diǎn)蝕坑。(b,c)樣品U2的縫隙腐蝕形貌。(d,e)樣品U3表面的點(diǎn)蝕坑形貌。(f)基板表面的均勻腐蝕形貌。

感謝孫桂芳團(tuán)隊(duì)提供的稿件。


圖4 腐蝕機(jī)理圖。(a)樣品U2的宏觀示意圖。(b)宏觀偏析區(qū)域的優(yōu)先溶解。(c)陽(yáng)極電壓下試樣U2表面形成鈍化膜。(d)樣品U2在過(guò)鈍化區(qū)的縫隙腐蝕。(e)樣品U1的活以微點(diǎn)蝕的形式活性溶解。(f)基體以均勻腐蝕的形式活性溶解。


圖5極化曲線和電化學(xué)阻抗譜。(a,b)極化曲線。(c)電化學(xué)阻抗譜Nyquist圖,(d,e)電化學(xué)阻抗譜的Bode圖。(f)等效擬合電路。

為解決上述問(wèn)題,在NV E690修復(fù)區(qū)上進(jìn)一步制備單層316L不銹鋼(樣品U2),以改善涂層的防腐性能。然而,異種合金間的冶金結(jié)合稀釋了316L涂層的合金成分。熔池內(nèi)強(qiáng)烈的強(qiáng)馬蘭戈尼效應(yīng)導(dǎo)致316L涂層內(nèi)形成以半島狀、島狀和帶狀為主要特征的宏觀偏析現(xiàn)象(圖2,圖6)。在3.5 wt% NaCl溶液中,宏觀偏析和成分稀釋效應(yīng)導(dǎo)致涂層表面在陽(yáng)極區(qū)出現(xiàn)局部?jī)?yōu)先溶解和并最終形成縫隙狀腐蝕,惡化涂層的耐蝕性能(圖3,圖4)。因此,沉積單層316L不銹鋼涂層只能在一定程度上降低涂層的腐蝕電流,提高腐蝕電位和點(diǎn)蝕電位(圖5)。


圖6 宏觀偏析機(jī)理圖。(a)熔池的流動(dòng)形式。(b)宏觀偏析的形成機(jī)理。

在NV E690修復(fù)區(qū)上沉積雙層316L不銹鋼(樣品U3)以進(jìn)一步改善耐蝕性能。第二層316L涂層的宏觀偏析和成分稀釋現(xiàn)象得到了極大的緩解(圖2)。U3表面Cr含量的增加使得樣品表面形成致密的富Cr和富Fe的鈍化膜,從而進(jìn)一步降低腐蝕電流,提高點(diǎn)蝕電位和界面電荷轉(zhuǎn)移電阻,改善了修復(fù)區(qū)在3.5 wt% NaCl溶液中的防腐性能(圖5)。

作者簡(jiǎn)介

第一作者:陳明智, 東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院在讀博士研究生。主要研究方向?yàn)榧す庵苯幽芰砍练e和水下激光直接能量沉積的微觀組織演變、材料力學(xué)性能、過(guò)程檢測(cè)和腐蝕性能。以第一作者在Corros Sci、Surf. Coat. Technol、Adv Powder Mater、Optics Laser Technol等期刊上發(fā)表SCI檢索論文4篇,授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利1項(xiàng)。

通訊作者:孫桂芳,東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授/博士生導(dǎo)師,在激光綠色再制造理論與技術(shù)方面潛心研究近20年。重點(diǎn)突破了水下激光增材再制造技術(shù)及極端環(huán)境冶金理論、研制了水下激光增材制造成套裝備,并在模擬水下30m壓力下成功修復(fù)系列海工材料。

論文鏈接:

https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0010938X23002743



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