基于送粉式的激光直接金属沉积 (DMD)是定向能沉积增材制造技术(DED)的一种。东南大学机械工程学院孙桂芳教授团队，突破性地将激光直接金属沉积技术应用于水下环境修复NV E690钢板。系统研究了水下环境和环境压力(0.01 MPa-0.35 MPa)对修复材料微观组织演变、相变和力学性能的影响。应用水下加压氮化理论分析了(Ti, V)N 颗粒的析出动力学。
研究结果表明水的淬火作用细化了晶粒尺寸，提高了位错密度和板条马氏体含量。水下修复样品的微观组织演变和力学性能与水下环境压力没有明显的关系。该研究搭建起了海洋工程和定向能沉积技术之间的桥梁，为水下修复技术提供了一种新型的备选方案。
相关论文发表在Advanced Powder Materials 期刊。第一作者：陈明智；通信作者：孙桂芳。
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研究背景
海洋工程用NV E690钢具有优异的综合力学性能，然而，海洋工程装备经常遭受表面损伤从而导致结构件发生难以预料的损坏。因此，开展受损部件的水下原位修复可极大地提高海工装备服役寿命。常用的水下原位修复技术有水下弧焊接(UAW)和水下激光焊接(ULBW)。UAM容易造成较大的热影响区和较差的修复质量。送丝式的ULBW因送丝方向固定导致修复柔性较差。本研究基于自主搭建的送粉式水下局部干法直接金属沉积(UDMD)技术，高效、高柔性、高质、成本地实现了NV E690钢的水下原位修复。系统地研究了水下环境和不同环境压力(0.01 MPa-0.35 MPa)对组织演变和力学性能的影响。
创新点
1. 基于UDMD技术实现了不同环境压力下的NV E690钢的修复实验
2. 揭示了UDMD过程中水环境对微观组织和力学性能的影响机制
3. 应用水下加压氮化理论分析了(Ti, V)N 颗粒的析出动力学
研究内容
1. 水下环境对微观组织演变的影响
与陆上DMD修复试样相比，水的淬火效应提高了UDMD试样的位错密度，高冷却速率抑制了板条马氏体向回火马氏体的转变，降低了沉积层的本征热处理效应(IHT)。此外，在0.35 MPa压力下，在沉积层中发现（Ti, V）N纳米颗粒的析出。
图1. 微观组织形貌
2. 水下加压氮化和 (Ti, V)N 颗粒的析出动力学分析
将传统的加压氮化理论拓展至水下环境，计算液态熔池的理论氮含量。与陆上DMD实验相比，0.35 MPa环境压力下UDMD熔池内的理论氮含量提升了2.01倍，这导致沉积层内形成析出由TiN和VN互溶而形成的（Ti, V）N纳米颗粒。理论计算表明，VN在先析出的TiN颗粒上形核，最终形成（Ti, V）N颗粒。此外，（Ti, V）N颗粒因具有极高的溶解温度和极低的粗化速率而呈现出高度热稳定性。
图2. 氮在液相熔池中的溶解度及TiN和VN析出动力学计算结果
图3. (Ti, V)N颗粒的析出过程及强化机理
3. 水下环境对力学性能的影响
与陆上DMD修复样品相比，水的淬火作用导致UDMD修复样品具有较高的硬度。所有样品在常温下均为韧性拉伸断裂，此外，当水下环境压力P≤ 25MPa时，UDMD试样拉伸断裂于修复区，试样的拉伸性能和低温冲击性能与水下环境压力之间没有明显的关系。当P=0.35 MPa时, 加压氮化析出的热稳定的（Ti, V）N颗粒强化了修复区，UDMD修复试样拉伸断裂于母材。
图 4. 陆上修复试样和水下修复试样的拉伸性能
启示
该研究将传统的陆上DMD技术拓展至水下环境，基于送粉式的水下激光直接金属沉积技术(UDMD)，开展了针对NV E690钢的水下原位修复实验。系统研究了水下环境和环境压力(0.01 MPa – 0.35 MPa)对材料微观组织演变、相变和力学性能的影响。此外，本研究首次提出将传统的加压氮化理论应用于水下原位修复领域，为后续大水深原位制造高氮沉积层提供了理论基础。
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