康瀾 鄔彬 陳志邦

(華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室，廣東 廣州 510640)

海洋環(huán)境是腐蝕最為嚴(yán)酷的自然環(huán)境[1- 4]，我國多數(shù)近海鋼管結(jié)構(gòu)處于裸露或欠保護(hù)狀態(tài)，局部腐蝕嚴(yán)重威脅著這些重大工程設(shè)施的安全運行[5]。保證近海鋼結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，延長這些重大工程設(shè)施使用壽命，是我國海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展中迫切需要解決的關(guān)鍵性問題和共性問題。隨著3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展，激光熔覆技術(shù)作為最為先進(jìn)的金屬3D打印技術(shù)之一，已成功應(yīng)用于航空航天、海洋工程、船舶等領(lǐng)域的修復(fù)[6]。通過對鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋的區(qū)域進(jìn)行表面缺陷預(yù)處理，將處理后的區(qū)域采用半導(dǎo)體激光器進(jìn)行表面增材制造修復(fù)，該技術(shù)也可應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)裂紋的修復(fù)[7]。通過在基材表面添加熔覆材料，使用高能激光束將其與基材表面的薄層一起熔凝，熔覆層與基材呈冶金結(jié)合。激光熔覆具有組織致密、耐腐蝕性好、熔覆層-基材結(jié)合好、無污染、施工質(zhì)量可控、適應(yīng)性強等優(yōu)點[8]。該技術(shù)為局部腐蝕鋼結(jié)構(gòu)的修復(fù)提供了一種新選擇；隨著高速及超高速激光熔覆技術(shù)[9]、立面掃描技術(shù)[10]和水下激光熔覆修復(fù)技術(shù)[11]的發(fā)展和成熟，以及便攜移動式原位修復(fù)設(shè)備的研發(fā)成功[12]，它已完全具備應(yīng)用在土木工程修復(fù)領(lǐng)域的條件。

目前，國內(nèi)外關(guān)于激光熔覆修復(fù)技術(shù)的相關(guān)研究主要集中在熔覆層各向異性力學(xué)性能、耐腐蝕性能等方面。Tabernero、Alvarez等[13- 14]研究了熔覆層在面內(nèi)和厚度方向上的力學(xué)性能差異，結(jié)果表明，這兩個方向的強度指標(biāo)接近，塑性差異明顯；郄喜望等[15]采用同軸送粉式激光熔覆技術(shù)對ZTC4板材的圓孔形缺陷進(jìn)行了修復(fù)，研究了工藝參數(shù)、掃描路徑對修復(fù)件力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，光斑直徑比較大時拉伸件斷口為韌性斷裂，光斑直徑比較小時拉伸件呈解理斷裂；方金祥等[16]研究了激光熔覆Inconel718合金涂層與基體界面的微觀組織及力學(xué)性能，結(jié)果表明，時效熱處理后，熱影響區(qū)及熔覆層的強度接近基材；黃杰、Fu等[17- 18]等研究了激光熔覆層的組織結(jié)構(gòu)及電化學(xué)腐蝕行為，結(jié)果表明，熔覆層耐腐蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于基材；劉曉東等[19]研究了掃描速度、熔覆材料預(yù)置厚度對殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明，熔覆層厚度增加會導(dǎo)致殘余應(yīng)力水平增加；傅衛(wèi)等[20]研究了不同鋪層方式對殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明，兩層熔覆層垂直交叉的鋪層方式降低了熔覆層的殘余應(yīng)力。

綜上所述，激光熔覆技術(shù)的修復(fù)效果優(yōu)異，且具有很好的耐腐蝕性能，適合應(yīng)用在惡劣海洋環(huán)境下的局部腐蝕鋼結(jié)構(gòu)的修復(fù)。但目前，在土木工程修復(fù)領(lǐng)域并未開展有關(guān)該技術(shù)的研究，修復(fù)后鋼板的力學(xué)性能尚未見文獻(xiàn)報道。本研究提出采用激光熔覆技術(shù)修復(fù)局部腐蝕鋼板，并針對修復(fù)后鋼板的力學(xué)性能恢復(fù)開展研究。

1 試驗

1.1 實驗材料

激光熔覆材料采用中航邁特316L不銹鋼粉末，粒徑范圍15～53 μm，其主要組成成分如表1所示。

表1 316L不銹鋼粉末主要組成成分

鋼板材料采用Q345鋼材，其力學(xué)性能如表2所示。其中，σy0為Q345鋼材完整件的屈服強度，σu0為Q345鋼材完整件的極限抗拉強度，E0為Q345鋼材完整件的彈性模量，α0為Q345鋼材完整件的極限伸長率。

表2 Q345鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 試件制作及命名方法

文中共制備了14個拉伸件。其中完整件Int1作為對照試件，用于測量Q345鋼板的力學(xué)性能。為了研究腐蝕方式、腐蝕界面處理方式、腐蝕深度以及激光熔覆掃描路徑對修復(fù)件力學(xué)性能的影響規(guī)律，文中共設(shè)計了3個系列的試件。第1個系列(UCD系列)為局部矩形片腐蝕件及其修復(fù)件，如圖1(a)所示，其中UCD2- 0和UCD4- 0是腐蝕深度分別為2 mm和4 mm的局部矩形片腐蝕件，UCD2- 1為腐蝕深度2 mm的局部矩形片腐蝕修復(fù)件，UCD4- 2為腐蝕深度4 mm的局部矩形片腐蝕修復(fù)件，UCD4- 3為腐蝕深度4 mm的帶搭接區(qū)域的局部矩形片腐蝕修復(fù)件，該系列修復(fù)件激光熔覆掃描路徑方向均垂直于加載方向。第2個系列(N9R2D系列)為局部點腐蝕件及其修復(fù)件，如圖1(b)所示，其中N9R2D2E10- 0和N9R2D4E10- 0是蝕坑深度分別為2 mm和4 mm的局部點腐蝕件，N9R2D2E10- 1和N9R2D4E10- 1分別是它們的修復(fù)件，N9R2D2E10- 2是蝕坑深度2mm的帶搭接區(qū)域的局部點腐蝕修復(fù)件。第3個系列(VCD系列)為局部梯形片腐蝕修復(fù)件，如圖1(c)所示，其中修復(fù)件VCD4- 1、VCD4- 2、VCD4- 3的腐蝕深度均為4 mm，和UCD系列試件的不同在于，其激光熔覆掃描路徑方向分別為垂直于加載方向、平行于加載方向和一層垂直加載方向一層平行于加載方向，如圖2所示；另外，三者均在邊界做了坡口柔化處理。完整件和腐蝕件的詳細(xì)幾何參數(shù)如圖3所示。

(a)掃描方向1：垂直于加載方向

(a)完整未腐蝕件

1.3 試驗裝置

所有修復(fù)件均采用雷佳增材科技有限公司自主研發(fā)的四軸激光增減材系統(tǒng)進(jìn)行激光熔覆修復(fù)。激光機頭聚焦鏡片焦距100 mm，采用半導(dǎo)體連續(xù)方式，送粉器為輝銳的雙筒載氣式送粉器，激光器最大功率為1 500 W。本試驗激光熔覆工藝參數(shù)如表3所示；激光熔覆修復(fù)原理如圖4(a)所示；拉伸裝置采用濟(jì)南試驗機廠生產(chǎn)的WAW- 500C型微機控制電液伺服萬能試驗機(顯示值相對誤差為±1%)進(jìn)行加載，標(biāo)點間變位歷程可由東京測器生產(chǎn)的PI- 60S- 200高精度引伸計獲得(標(biāo)距200 mm，最大量程60 mm，相對誤差為±0.5%)，拉伸裝置如圖4(b)所示。

表3 激光熔覆工藝參數(shù)

1.4 試驗方法

本試驗所有修復(fù)件先在四軸激光增減材系統(tǒng)中修復(fù)，然后再進(jìn)行拉伸試驗。所有拉伸試驗的試件尺寸及試驗速度等均遵循GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗》[21]的要求，采用加載速度為2 mm/min的位移加載，直到試件斷裂。所有試件全過程力-位移曲線由數(shù)據(jù)采集儀自動采集并記錄。

(a)激光熔覆修復(fù)原理示意圖

2 試驗結(jié)果

2.1 破壞模式

根據(jù)試驗方案，開展了完整件、局部腐蝕件和激光熔覆修復(fù)件的單軸拉伸試驗，試件破壞形態(tài)如圖5所示。

從圖5(a)和5(b)可見，腐蝕件最終斷裂位置均發(fā)生在最小截面處。點腐蝕件由于蝕坑處會產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變集中，蝕坑處首先會產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展會使整個截面無法承受當(dāng)前載荷，從而導(dǎo)致截面斷裂。

從圖5(a)可知，除具有搭接區(qū)域的修復(fù)件UCD4- 3外，其他修復(fù)件均在熔覆層側(cè)面-基材界面處破壞，說明熔覆層側(cè)面-基材界面是修復(fù)件的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)對該部位采取一定的措施以避免界面破壞。觀察局部矩形片腐蝕件的修復(fù)過程可見，在熔覆層側(cè)面-基材界面具有明顯缺陷，界面容易出現(xiàn)未充分熔合部分，形成氣泡和孔洞，從而導(dǎo)致修復(fù)效果欠佳。對局部矩形和局部梯形片腐蝕試件均采用50%的搭接率進(jìn)行多道搭接修復(fù)，可使得晶體的生長方向在熔覆層底面-基材界面保持單一性，且生長方向均垂直于熔合面，呈現(xiàn)冶金結(jié)合，所以局部矩形片腐蝕修復(fù)件的熔覆層底面-基材界面結(jié)合較好。從圖5(b)可發(fā)現(xiàn)，點腐蝕修復(fù)件最終破壞也發(fā)生在界面上，且熔覆層與基材出現(xiàn)界面滑移現(xiàn)象。圖5(c)表明，VCD系列所有的修復(fù)件最終破壞均發(fā)生在基材，說明如果對界面進(jìn)行柔化處理，使熔覆層側(cè)面-基材界面不再和受力方向垂直，則可避免發(fā)生界面破壞，修復(fù)效果進(jìn)一步提升。

(a)局部矩形片腐蝕件及修復(fù)件

拉力作用下界面未經(jīng)柔化處理的修復(fù)件均在界面處發(fā)生斷裂，此時熔覆層側(cè)面-基材界面處于拉應(yīng)力和殘余應(yīng)力共同作用狀態(tài)。界面未經(jīng)柔化處理的修復(fù)件在熔覆層側(cè)面-基材界面處存在粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)，這是由于熔覆過程中熔池的冷卻速度不同造成的：冷卻速度越快，越容易形成細(xì)晶粒，力學(xué)性能越好；反之，力學(xué)性能越差。

熔池接近基材的一側(cè)冷卻速度快，遠(yuǎn)離基材的一側(cè)冷卻速度慢，所以粗晶體和細(xì)晶體在界面處通常會同時存在。由于在界面處熔覆組織的不均勻性和不連續(xù)性會導(dǎo)致界面力學(xué)性能的不均勻，所以更易在界面處發(fā)生破壞。

2.2 局部腐蝕件及激光熔覆修復(fù)件的力-位移曲線

通過拉伸試驗，獲得了局部矩形片腐蝕件和修復(fù)件、局部點腐蝕件和修復(fù)件、局部梯形片腐蝕修復(fù)件的力-位移曲線，分別如圖6所示。

(a)局部矩形片腐蝕件及修復(fù)件

由圖6可知：對于腐蝕件，腐蝕深度和腐蝕區(qū)域會對腐蝕件的力-位移曲線造成很明顯的劣化影響，觀察試件UCD4- 0的力-位移曲線可知，隨著腐蝕深度加深和腐蝕區(qū)域加大，屈服平臺已消失；對于激光熔覆修復(fù)件，屈服強度和極限強度相比腐蝕件都有大幅度提高，甚至出現(xiàn)強度比完整件更高的現(xiàn)象，修復(fù)效果顯著。

3 結(jié)果分析

3.1 腐蝕方式對修復(fù)件力學(xué)性能的影響規(guī)律

局部腐蝕件和修復(fù)件力學(xué)性能指標(biāo)的折減系數(shù)如表4所示。其中，E為局部腐蝕件和修復(fù)件的彈性模量；σy為局部腐蝕件及修復(fù)件的屈服強度；σu為局部腐蝕件及修復(fù)件的極限抗拉強度；α為局部腐蝕件及修復(fù)件的極限伸長率。計算橫截面積均采用設(shè)計截面。

表4 局部腐蝕件和修復(fù)試件的力學(xué)性能折減系數(shù)

本試驗共采用局部矩形片腐蝕和局部點腐蝕兩種腐蝕方式。由表4可知，在同一掃描路徑方向(垂直于加載方向)的情況下，局部矩形片腐蝕修復(fù)件的彈性模量、屈服強度、極限強度平均可恢復(fù)到完整未腐蝕件的91.5%～99%，極限伸長率達(dá)到56%(UCD2- 1和UCD4- 2平均值)；局部點腐蝕件經(jīng)過激光熔覆修復(fù)，修復(fù)件的彈性模量、屈服強度、極限強度平均分別可恢復(fù)到完整未腐蝕件的96.5%以上，極限伸長率可達(dá)84.5%(N9R2D2E10- 1和N9R2D4E10- 1平均值)。

研究表明[22]，溫度梯度G和凝固速率V對晶體的生長有重要影響，典型修復(fù)件關(guān)鍵區(qū)域的金相組織如圖7所示。

(a)UCD4- 2熔覆層側(cè)面-基材界面區(qū)域

由圖7(a)可以看出，在熔覆層側(cè)面-基材界面存在大量柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變(CET)，且在界面處存在明顯的熔覆缺陷。這是因為熔池靠近熔覆層側(cè)面-基材界面一側(cè)的溫度梯度G降低[23]以及凝固速率V加快[24]，導(dǎo)致大量柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，從而產(chǎn)生了不同方向的晶粒，破壞了原有晶體生長方向。

因為局部矩形片腐蝕在熔覆層側(cè)面-基材界面處易產(chǎn)生CET，使得熔覆金屬不會垂直熔合面結(jié)晶生長，從而導(dǎo)致不規(guī)律的熔覆金屬結(jié)晶方向在熔覆層側(cè)面-基材界面處產(chǎn)生。激光熔覆具有高能量的輸入和快速冷卻的特點，使得局部點腐蝕修復(fù)件蝕坑處的熱影響區(qū)寬度非常窄。蝕坑處熔覆層主要為柱狀晶，柱狀晶生長方向垂直于熔合面向蝕坑中心發(fā)展，且呈現(xiàn)向外延生長，可得到較好修復(fù)，如圖7(b)所示。從金相組織結(jié)構(gòu)中可觀察到在蝕坑底部中心有缺陷發(fā)生，這可能是因為機械打孔在蝕坑底部中心的深度相對底部邊緣更深導(dǎo)致的。

由上述分析可知，兩種腐蝕方式的修復(fù)件的彈性模量、屈服強度、極限強度均可達(dá)到完整件的力學(xué)性能水平，雖然極限伸長率有不同，但相對腐蝕件都大幅度提高，可滿足工程實際要求。

3.2 腐蝕界面處理方式對修復(fù)件力學(xué)性能的影響規(guī)律

由表4可知，局部矩形片腐蝕修復(fù)件(UCD2- 1、UCD4- 2)的彈性模量、屈服強度、極限強度平均可恢復(fù)到未腐蝕完整件的91.5%～99%，極限伸長率達(dá)到56%；而局部梯形片腐蝕修復(fù)件(VCD4- 1、VCD4- 2、VCD4- 3)的彈性模量、屈服強度、極限強度平均可恢復(fù)到完整未腐蝕件的97.7%～101.7%，極限伸長率達(dá)到73%，說明界面柔化處理方式對修復(fù)件力學(xué)性能的提升具有明顯作用。更為關(guān)鍵的是界面柔化處理以后最終斷裂位置由熔覆層側(cè)面-基材界面轉(zhuǎn)移到基材，修復(fù)效果更加顯著。

由圖7(c)和7(d)可知，在熔池下邊界，可觀察到明顯細(xì)晶粒區(qū)域，與基材呈現(xiàn)冶金結(jié)合。與矩形腐蝕修復(fù)件相比，經(jīng)柔化處理后的無明顯界面缺陷，晶粒更細(xì)小致密，分布均勻，而且保證了柱狀晶外延生長方向的一致性，修復(fù)效果良好。

由表4可知，帶搭接區(qū)域的局部矩形片腐蝕修復(fù)件的彈性模量、屈服強度、極限強度均可恢復(fù)到未腐蝕完整件100%以上，極限伸長率達(dá)到72%，其彈性模量遠(yuǎn)優(yōu)于完整件；帶搭接區(qū)域的局部點腐蝕修復(fù)件的彈性模量、屈服強度、極限強度均可恢復(fù)到未腐蝕完整件的100%，極限伸長率達(dá)78%。帶搭接區(qū)域的修復(fù)件使應(yīng)力傳遞面積加大，最終斷裂位置由界面轉(zhuǎn)移到基材，因此修復(fù)件力學(xué)性能提升明顯。

3.3 腐蝕深度對修復(fù)件力學(xué)性能的影響規(guī)律

由表4可知，對于局部片腐蝕修復(fù)件，腐蝕深度為2 mm時修復(fù)件的彈性模量、屈服強度、極限強度均可恢復(fù)到未腐蝕完整件的98%左右，極限伸長率達(dá)到41%；腐蝕深度為4 mm時修復(fù)件的彈性模量、屈服強度、極限強度和極限伸長率分別可恢復(fù)到未腐蝕完整件的83%、99%、100%、73%。由此可知，對比最開始修復(fù)的UCD2- 1試件，通過有效控制熔覆層側(cè)面-基材界面的初始缺陷，可使不同腐蝕深度的片腐蝕修復(fù)件得到近似的修復(fù)效果。

對于局部點腐蝕修復(fù)件，蝕坑深度為4 mm時修復(fù)件的彈性模量、屈服強度、極限強度可恢復(fù)到未腐蝕完整件的98%～100%之間，極限伸長率達(dá)到84%，其力學(xué)性能與蝕坑深度為2 mm時的修復(fù)件力學(xué)性能相當(dāng)，且接近完整件力學(xué)性能。這是因為蝕坑處的熔覆層柱狀晶生長方向垂直熔合面，呈現(xiàn)向外延生長[24]。同時，由圖7(b)可知，局部點腐蝕修復(fù)件蝕坑處的熱影響區(qū)寬度非常窄。可見，激光熔覆修復(fù)技術(shù)可以適用于不同腐蝕深度的腐蝕件修復(fù)，適應(yīng)性較強。

本研究涉及到的腐蝕深度已經(jīng)達(dá)到4 mm，即板厚的25%，已經(jīng)覆蓋了實際工程中絕大部分鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕深度范圍，可為實際工程應(yīng)用提供參考。

3.4 激光熔覆掃描路徑對修復(fù)件力學(xué)性能的影響規(guī)律

圖8 梯形片腐蝕修復(fù)件局部結(jié)構(gòu)示意圖(VCD4- 2)

不同掃描路徑下局部梯形片腐蝕修復(fù)件的熔覆層中間區(qū)域形貌如圖9所示。由圖9可見，VCD4- 2熔覆層中間區(qū)域出現(xiàn)明顯內(nèi)凹現(xiàn)象，這主要是因為受到梯形熔覆區(qū)域(兩側(cè)較窄，中間較寬)和掃描方式的影響。當(dāng)梯形兩側(cè)熔覆層達(dá)到基材原高度時，梯形中間區(qū)域還未達(dá)到基材原高度，故宏觀形態(tài)呈現(xiàn)內(nèi)凹現(xiàn)象。其彈性模量、屈服強度、極限強度雖然是3個構(gòu)件中恢復(fù)效果最差的，但是也均能達(dá)到完整件的水平，且極限伸長率也能達(dá)到完整件的71%，說明3種不同掃描路徑的局部梯形片腐蝕修復(fù)件的修復(fù)效果均較好，修復(fù)效果穩(wěn)定。

圖9 中間區(qū)域形貌對比圖

4 結(jié)論

文中提出采用激光熔覆修復(fù)技術(shù)修復(fù)局部腐蝕鋼板，并針對修復(fù)件的力學(xué)性能開展試驗研究，研究了腐蝕方式、腐蝕界面處理方式、腐蝕深度以及激光熔覆掃描路徑對修復(fù)件力學(xué)性能的影響規(guī)律，得出以下主要結(jié)論：

(1)局部矩形片腐蝕修復(fù)件和局部點腐蝕修復(fù)件的彈性模量、屈服強度和極限強度與完整件基本相當(dāng)；除UCD2- 1以外，極限伸長率均可恢復(fù)到完整件的70%以上，說明激光熔覆修復(fù)技術(shù)可有效修復(fù)局部片腐蝕和局部點腐蝕鋼板。

(2)通過柔化處理熔覆層側(cè)面-基材界面或增加搭接區(qū)域，修復(fù)件斷裂位置從熔覆層側(cè)面-基材界面轉(zhuǎn)移到基材，修復(fù)件力學(xué)性能得到不同程度的提升，界面柔化處理或增加搭接區(qū)域可有效避免修復(fù)件界面破壞模式發(fā)生。

(3)激光熔覆技術(shù)修復(fù)不同腐蝕深度腐蝕件的修復(fù)件，其力學(xué)性能基本接近；且采用不同掃描路徑時，激光熔覆修復(fù)件的力學(xué)性能離散度較低；激光熔覆技術(shù)可修復(fù)不同腐蝕深度的腐蝕鋼板，且修復(fù)件的力學(xué)性能對掃描路徑不敏感。