介绍了国内外690 MPa级海洋平台用钢的研究现状及发展趋势,对传统690 MPa级海洋平台用钢的成分、工艺、组织和性能进行了分析.传统690 MPa级海洋平台用钢主要存在成本高、制备工序复杂、组织均匀性差、屈强比高等诸多问题.采用低碳中锰的成分设计思路,配合合适的轧制和热处理工艺,成功开发出屈服强度690 MPa级高强韧海洋平台用中锰钢板,并详细阐述了690 MPa级高强韧海洋平台用中锰钢的强韧化机理.
铁基非晶合金因有长程无序、短程有序的特殊原子排列结构,是目前兼具高强度、高耐磨性、高耐腐蚀性的新型材料,有望作为船舶、石油钻杆等海工装备关键部件的表面防腐涂层.通过制备Fe73Si7B9P10Cu1非晶合金薄带,利用XRD、DSC、电化学工作站对其热力学性能和耐腐蚀性能进行了研究.结果表明:Fe73Si7B9P10Cu1非晶合金的过冷液相区宽度为78 K,具有较强的热稳定性;在3.5％(质量分数)NaCl溶液中测得Fe73Si7B9P10Cu1非晶合金的自腐蚀电位为-0.385 V,腐蚀电流密度为2.499×10-6 A/cm2,与304不锈钢相比,具有较好的耐腐蚀性.
通过在不同湿度条件下,进行模拟海洋大气环境的周浸实验,研究了海洋大气环境中湿度对船板钢AH36腐蚀行为的影响,基于腐蚀失重计算了不同湿度各个腐蚀周期的腐蚀速率,采用SEM观察了锈层表面的微观形貌,同时对腐蚀后的试样进行了极化曲线测试.结果表明:当生成相对稳定的锈层后,随着湿度的逐渐增大,腐蚀速率先增大后减小,在湿度60％时腐蚀速率达到最大.在相对低的湿度条件下,AH36形成致密锈层所需的时间相对较长;而在相对高的湿度条件下,AH36形成致密锈层所需的时间相对较短.湿度对船板钢AH36初期(24 h)的腐蚀电流影响较弱,随着时间延长,不同湿度条件的腐蚀电流差距逐渐增大.
介绍了SEBF涂层技术,研究了SEBF涂层在海水系统法兰密封面上的应用特性,结果表明,SEBF涂层表面粗糙度、平整度、密封适配性、振动密性、紧固抗压性和抗疲劳性能均满足海水系统法兰的实际使用要求.SEBF粉末涂料在海洋腐蚀环境下较常规防腐涂料具备更高的防腐性能和具有更强的防护效果.
船板钢作为船舶制造和海洋工程的核心材料之一,其性能与质量直接影响着海洋工业的可靠性和安全性.综述了特殊服役条件下对船板钢化学成分以及性能的要求,介绍了船板钢的开发特点以及国内外生产船板钢的关键技术,分析了船板钢未来的发展方向,旨在为钢铁企业船板钢的开发提供借鉴.
通过显微组织表征明确了高强海工钢EH36厚板心部和表面组织的差异,进而通过氢渗透测试、内耗、氢脆敏感性指数测定等实验研究了EH36厚板心部和表面位置的氢扩散行为.结果表明,EH36厚板的表面和心部组织分别为贝氏体组织和铁素体+珠光体组织.心部组织的氢陷阱数量较少,组织溶氢能力较弱,氢扩散系数较高,氢扩散穿透时间较短.钢中间隙氢原子的扩散导致了充氢后实验钢的内耗峰在低温区出现了H-Snoek峰,同时氢的存在使得SKK峰发生偏移.相比于心部位置,由于实验钢表面的组织中所含界面较多,导致其内耗谱在高温区出现较弱的晶界峰.实验钢心部粗大的铁素体+珠光体组织导致其氢脆敏感性指数较高,抗氢脆失效能力较弱.此外,钢中氢原子的大量存在会显著弱化柯氏气团对可动位错的钉扎作用,降低实验钢的屈服点延伸率.
采用半导体激光器在H13钢基体表面制备了Stellite 6钴基合金涂层,利用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)和电化学工作站研究了不同激光功率下涂层的物相组成、显微组织及电化学腐蚀行为.结果表明,激光功率对涂层的物相组成没有明显影响,涂层均由γ-Co、CoCX和Cr7C3相组成.随着激光功率的增大,涂层由柱状晶和少量树枝晶的混合组织,转变为细小均匀的等轴晶,再至粗大的柱状树枝晶.不同激光功率下Stellite 6涂层在3.5％(质量分数)NaCl溶液中的自腐蚀电位均高于H13钢,而腐蚀电流密度均低于H13钢,且激光功率为3000 W时涂层具有最佳的耐腐蚀性能.电化学阻抗谱规律与极化曲线保持一致,表明了激光熔覆Stellite 6合金涂层可以有效提高H13钢的耐腐蚀性能.
采用ProCAST对K4169高温合金气缸套离心铸造过程进行相关模拟研究,分析浇注温度、离心转速、铸型温度等工艺参数变化对铸件凝固过程温度场及液面分布情况的影响,对铸造过程会产生的疏松缩孔等组织缺陷进行预测,计算模拟出模具外径56 mm、内径38 mm、长度500 mm的K4169离心铸管的最佳离心铸造工艺参数.采用此工艺参数能够明显改善离心铸造铸件凝固过程中的疏松缩孔等冶金缺陷,提高产品质量.
针对鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司5500产线出现的批量含铌X80级别管线钢钢板心部存在裂纹的问题,利用扫描电子显微镜、能谱仪等检测设备对钢板裂纹缺陷进行了检测分析,发现铸坯(钢板)心部裂纹附近存在未溶铌铁颗粒.根据检测结果,聚焦炼钢环节对实际生产数据进行处理与分析,并建立基于随机森林算法的关键工艺诊断模型.分析结果表明:精炼过程中氩气搅拌流量较低、加铌铁后处理时间较短和加铌铁时温度较低是导致加入的铌铁未完全溶解的根本原因,而铸造速度过快是造成未溶的铌铁颗粒聚集在铸坯(钢板)心部的直接原因.
利用真空感应炉,以过程取样的方式研究了钙镁复合处理顺序对AH36船板钢中夹杂物的改性效果.结果表明,在本实验条件下,两种处理方式(即先镁后钙、先钙后镁)虽然导致了夹杂物性质的不同演变路径,但最终都形成了以镁铝尖晶石为核心、外部为铝酸钙的分层结构.并且两种处理方式下,当硅钙合金加入后,夹杂物中均出现了中间产物CaS,但随后数量迅速下降.相对于先钙后镁加入方式,先镁后钙加入方式最终形成的夹杂物数密度和尺寸均更大,其边缘形成的铝酸钙更趋向于液相区.与原始样相比,两种处理方式均有效增加了氧化物数密度,降低了其长宽比,从而改善了氧化物形态.
为了研究EH690超高强海洋装备用钢腐蚀前后疲劳性能的变化,采用淬火+回火工艺制备了50 mm厚EH690试验钢,观察了试验钢的金相显微组织和腐蚀前后表面形态,对比了盐雾腐蚀前后的疲劳性能,分析了腐蚀后疲劳试样典型断口形貌.结果表明,EH690试验钢组织为回火马氏体,晶粒度等级约为7.5级,盐雾腐蚀后的腐蚀产物主要是α-FeOOH、γ-FeOOH以及Fe3O4等.腐蚀后,材料的平均疲劳寿命大幅下降.断口分析显示,腐蚀导致的表面缺陷是材料疲劳性能下降的主要原因之一,腐蚀造成的表面点蚀坑会导致严重的应力集中,从而提升材料表面裂纹萌生的几率,降低海工钢的疲劳寿命.
研究了采用ER309L不锈钢焊丝对25 mm厚的A514/ZGMn13Mo异种钢进行多层多道的熔化极气体保护焊.显微组织显示了焊缝组织为铁素体和奥氏体,具有较强的抗裂性,A514钢热影响区组织主要为板条状马氏体和少量的铁素体,未发现碳化物,热影响区存在较大的应力,ZGMn13Mo钢热影响区组织为粗化的奥氏体,晶界与晶内存在大量的碳化物,同时较大的焊接应力导致该侧影响区易萌生裂纹.显微硬度结果表明了焊缝底部和中部显微硬度相对于焊缝顶部较高,A514钢热影响区显微硬度表现为先升后降的特点,ZGMn13Mo钢热影响区硬度持续上升直至达到母材硬度水平.
为解决铸件在凝固过程中出现的表面粘砂缺陷,探讨了不同反应温度下铸件与电熔刚玉(α-Al2O3)醇基涂料以及铬铁矿面砂间的相互作用行为,并研究了铸件与铬铁矿面砂基片之间的润湿角对界面相互作用的影响.研究结果表明:随着反应温度的升高,铸件与铬铁矿面砂的反应界面生成更多由Al2O3-MnO-MgO-SiO2-FeO-Cr2O3组成的液相,导致界面处的液相反应层变厚,从而提高了铸件与铬铁矿面砂基片之间的润湿性,进而增加了粘砂现象的发生.
采用激光-电弧复合焊,激光前置焊接海工钢AH36薄板.利用高速摄像分析熔滴过渡特征与影响因素.运用计算流体力学体积分数法建立固液气三相流体动力学模型.采用高斯面热源、高斯旋转体热源和双椭球热源表征复合焊热源.数值模型考虑了表面张力、电磁力、浮力、反冲压力、蒸发冷凝、蒸发换热等多种物理场的耦合作用.对熔滴过渡冲击及其对熔池形貌、流动与温度的影响进行研究.结果表明,熔滴冲击熔池可促进熔池流动与传热.熔滴过渡受电磁力与蒸气反冲压力抑制,致使大熔滴出现.适当增加激光功率可降低熔滴表面张力,增加熔滴过渡频率,减小熔滴尺寸.激光功率过大或光丝间距过小时,出现熔滴破裂与飞溅.
大线能量用钢是一种微合金化钢,供货态多为正火或控轧控冷.目前390 MPa级别大线能量钢已在造船以及海洋工程中广泛应用.归纳了大线能量用钢在典型焊接热循环下的粗晶区分布特征,并对当前已有的应用于大线能量钢的焊接技术进行了总结.考察了常见的埋弧焊、气电立焊及窄间隙MAG焊条件下,大线能量钢焊接接头的力学性能.
利用扫描电镜、背散射电子衍射和透射电镜等表征方法,系统研究了微合金元素Nb和V对高强度管线钢组织结构与力学性能的影响.结果表明:在热机械控制工艺态,两种材料均为铁素体+贝氏体两相组织,Nb添加实验钢析出相数量高于V添加实验钢;在调质态下,两种样品的组织均为细小的贝氏体铁素体,均达到高强度管线钢X80的力学性能要求;与Nb元素相比,V的添加能使实验钢在回火过程中析出更加细小、弥散的碳化物,V适合用于热处理态材料的生产.Nb、V两种微合金元素对材料基体组织的影响没有显著性差异,Nb的晶粒细化效果优于V,V的沉淀强化效果优于Nb.
采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)等试验设备,通过拉伸试验、冲击试验、电化学实验等性能检测手段,研究了回火保温时间对E690海工钢组织演变及耐蚀性的影响.结果表明:当保温时间增加到60 min时,碳化物的析出量增多,马氏体板条逐渐变宽,铁素体的尺寸也有所增加,此时碳化物的析出可以弥补组织增大对性能带来的不利影响;开路电位处于最大值为-0.36 V,电化学阻抗图的圆弧半径最大,耐蚀性最好.
在AH32船用钢表面制备了模拟微生物膜,对模拟微生物膜覆盖下的AH32钢在海水中的腐蚀行为进行了研究.研究结果表明,模拟微生物膜覆盖下AH32钢的腐蚀速率随着海水流速、温度的升高而增大,海水中NaCl浓度对腐蚀速率影响较小.膜内FeS以及膜外有机酸使AH32船用钢的腐蚀速率显著增大,基于海藻酸钠/FeS复合体系模拟生物膜的存在显著改变了AH32船用钢的腐蚀行为.
采用非平衡磁控溅射的方法,构建了Fe-C-Si非晶合金体系,详细探讨了Si对该非晶合金体系结构与性能的影响,研究结果表明:Si元素在溅射过程中促进合金非晶化;在退火状态下,Si元素通过碳的有效排出、铁的结晶性升高以及促进Fe3C石墨化等作用机理,整体降低体系的热稳定性;同时,Si元素的引入,使薄膜导电能力增强,硬度提高,但耐蚀性能下降.本研究工作将为新材料的设计和开发提供参照和启发.
采用等离子体增强化学气相沉积技术在X80管线钢表面制备掺氟类金刚石薄膜,使用原子力显微镜对薄膜表面三维形貌进行表征.通过划痕实验和摩擦磨损实验对薄膜的机械性能进行表征,利用电化学阻抗谱与动电位极化曲线对薄膜在完井液环境下的腐蚀行为进行分析.结果表明:随着掺氟量的增加,薄膜表面粗糙度增大,薄膜与基体的结合强度提高,耐磨性能降低.薄膜的耐蚀性能随着掺氟量的增加表现出先增大后减小的变化规律.
