文章題目：Microstructure evolution and mechanical performance of NV E690 steel repaired by underwater laser directed energy deposition technique
第一作者：陳明智
通信作者：孫桂芳
基於送粉式的激光直接金屬沉積（DMD）是定向能沉積（DED）的一種。本研究突破性地將DMD技術應用於水下環境修復NV E690鋼板。系統研究了水下環境和環境壓力（0.01 MPa - 0.35 MPa）對修復材料微觀組織演變、相變和力學性能的影響。應用水下加壓氮化理論分析了(Ti, V)N 顆粒的析出動力學。研究結果表明水的淬火作用細化了晶粒尺寸，提高了位錯密度和板條馬氏體含量。水下修復樣品的微觀組織演變和力學性能與水下環境壓力沒有明顯的關係。該研究搭建起了海洋工程和定向能沉積技術之間的橋樑，為水下修復技術提供了一種新型的備選方案。
01研究背景
海洋工程用NV E690鋼具有優異的綜合力學性能，然而，海洋工程裝備經常遭受表面損傷從而導致結構件發生難以預料的損壞。因此，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。常用的水下原位修復技術有水下弧焊接（UAW）和水下激光焊接（ULBW）。UAM容易造成較大的熱影響區和較差的修復質量。送絲式的ULBW因送絲方向固定導致修復柔性較差。本研究基於自主搭建的送粉式水下局部干法直接金屬沉積（UDMD）技術，高效、高柔性、高質、成本地實現了NV E690鋼的水下原位修復。系統地研究了水下環境和不同環境壓力（0.01 MPa-0.35 MPa）對組織演變和力學性能的影響。
02創新點
1. 基於UDMD技術實現了不同環境壓力下的NV E690鋼的修復實驗
2. 揭示了UDMD過程中水環境對微觀組織和力學性能的影響機制
3. 應用水下加壓氮化理論分析了(Ti, V)N 顆粒的析出動力學
03研究內容
1. 水下環境對微觀組織演變的影響
與陸上DMD修複試樣相比，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，降低了沉積層的本徵熱處理效應(IHT)。此外，在0.35 MPa壓力下，在沉積層中發現（Ti, V）N納米顆粒的析出。
圖1. 微觀組織形貌
2. 水下加壓氮化和 (Ti, V)N 顆粒的析出動力學分析
將傳統的加壓氮化理論拓展至水下環境，計算液態熔池的理論氮含量。與陸上DMD實驗相比，0.35 MPa環境壓力下UDMD熔池內的理論氮含量提升了2.01倍，這導致沉積層內形成析出由TiN和VN互溶而形成的（Ti, V）N納米顆粒。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出高度熱穩定性。
圖2. 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3. (Ti, V)N顆粒的析出過程及強化機理
3. 水下環境對力學性能的影響
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，當水下環境壓力P ≤ 25MPa時，UDMD試樣拉伸斷裂於修復區，試樣的拉伸性能和低溫衝擊性能與水下環境壓力之間沒有明顯的關係。當P = 0.35 MPa時, 加壓氮化析出的熱穩定的（Ti, V）N顆粒強化了修復區，UDMD修複試樣拉伸斷裂於母材。
圖 4. 陸上修複試樣和水下修複試樣的拉伸性能
04啟示
本研究將傳統的陸上DMD技術拓展至水下環境，基於送粉式的水下激光直接金屬沉積技術（UDMD），開展了針對NV E690鋼的水下原位修復實驗。系統研究了水下環境和環境壓力（0.01 MPa - 0.35 MPa）對材料微觀組織演變、相變和力學性能的影響。此外，本研究首次提出將傳統的加壓氮化理論應用於水下原位修復領域，為後續大水深原位製造高氮沉積層提供了理論基礎。
05作者介紹
陳明智, 東南大學機械工程學院在讀博士研究生。主要研究方向為激光直接能量沉積和水下激光直接能量沉積中的微觀組織演變、力學性能、過程檢測和腐蝕性能。
孫桂芳，東南大學機械工程學院教授/博士生導師，在激光綠色再製造理論與技術方面潛心研究近20年。在GF基礎科研項目、JKW基金、ZF基金、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金等資助下，重點突破了失效構件激光表面再製造強化提升機理、水下激光再製造技術及極端環境冶金理論、應力/缺陷在線監測方法及調控機制，形成了一套失效構件現場原位高質高效修復的理論及技術體系。在行業期刊上發表SCI檢索論文72篇（其中第一作者或通訊作者60餘篇），EI檢索論文10篇。論文發表在Acta Mater., Addit. Manuf., Scripta Mater., Mater. Sci. Eng. A, Mater. Des., Appl. Surf. Sci., Metall. Mater. Trans. A, Surf. Coat. Technol., J. Manuf. Process., Measurement等機械、材料、冶金、儀器等相關領域的知名期刊上。授權國家發明專利26項，實審發明專利18項。
06文章信息
Mingzhi Chen, Kun Yang, Zhandong Wang, Shibin Wang, Erke Wu, Yi Lu, Zhonghua Ni, Jinzhong Lu, Guifang Sun, Microstructure evolution and mechanical performance of NV E690 steel repaired by underwater laser directed energy deposition technique, Adv. Powder Mater. 2023, 2, 100095. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2022.100095
