应用于海工平台的激光诱导微凹坑表面纳米化检测方法技术

本发明专利技术提供一种应用于海工平台的激光诱导微凹坑表面纳米化检测方法，包括以下步骤：采用E690高强钢为基材，激光冲击强化工艺制备海工平台抬升机构试样；测量海工平台抬升机构试样的激光冲击区域表面残余应力；计算各组海工平台抬升机构试样中不同方向的残余压应力均值和方差；绘制均值和方差随激光冲击次数变化曲线图；通过透射电镜、电子衍射实验，验证7.96GW/cm

Laser-induced nano-crater surface detection method for offshore platform

The invention provides a laser-induced nano-pit surface detection method for marine platform, which includes the following steps: using E690 high-strength steel as the base material and laser shock strengthening technology to prepare the sample of marine platform lifting mechanism; measuring the surface residual stress of laser shock zone of the sample of marine platform lifting mechanism; calculating the different directions of the sample of each group of marine platform lifting mechanism. Mean and variance of residual compressive stress; plot the curve of mean and variance with the number of laser shocks; verify 7.96GW/cm by transmission electron microscopy and electron diffraction experiments

【技术实现步骤摘要】
应用于海工平台的激光诱导微凹坑表面纳米化检测方法
本专利技术属于材料检测
，具体涉及一种应用于海工平台的激光诱导微凹坑表面纳米化检测方法。
技术介绍
随着人口的不断增长和陆上油气资源的不断消耗，海洋已成为世界油气开发的主要领域。海洋平台是集油田勘探、油气处理、发电、供热、原油产品储存和外输、人员居住于一体的综合性海洋工程装备，是实施海底油气勘探和开采的工作基地。目前世界海洋油气开发已呈现出向深海和极地进军的趋势，这对海洋平台用钢的综合性能提出了更高的要求，海洋平台用钢除了要具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂、良好的焊接性和冷加工性能之外，耐海洋大气和海水腐蚀性能也尤为重要。美国、日本和欧洲一些国家早就开始了海洋石油平台用钢的研究，并开发出多种适用于深海和极地海域使用的钢种，如ASTM规范中的A514，JFE标准中的WELTEN80和DNV规范中的E690。我国尚无具体的海洋平台用钢标准，且在制造屈服强度大于690MPa的超高强海洋平台用钢方面与国外存在一定的技术差距。E690高强钢是重要的海工用钢，在海洋潮差的作用下极易发生腐蚀损伤甚至腐蚀疲劳断裂，会严重威胁海工平台的安全。E690高强钢因具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂等优异性能，以及良好的焊接性能和冷加工性能，被广泛应用于海洋工程、舰船、港口机械等行业。近年来，随着世界能源需求不断加大和可开采油气资源的减少，人类不得不对特大型海洋天然气田等富含CO2、H2S、Cl等强腐蚀环境的高酸性油气资源进行开采开发，特大型海洋天然气田的特点是地质结构复杂、高温高压、高腐蚀性。因此，国内外对E690高强钢的需求不断增加。由于多数工程材料的失效行为(例如接触疲劳失效，摩擦磨损等)多发生在试样的表面，并且这些失效行为对材料的表面组织和性能有很大的敏感性。因此，优化材料表面的组织和性能，能够有效的提高工程材料总体的服役寿命。纳米晶材料是指晶粒尺寸在纳米量级的晶体材料。这类固体是由尺寸至少（在一个方向上）为几纳米的结构单元（主要是晶体）所构成的多晶体。由于纳米晶粒极细，大量的原子处于晶粒之间的界面上，使界面成为一种不可忽略的结构单元。这种独特的结构特征使纳米晶材料成为有别于多晶体和非晶体的一种新材料，从而使材料在力学、磁性、介电性、超导性、光子等方面具备了许多优异的性能。尤其是当晶粒细化到纳米级后，材料的许多力学性能会发生明显的变化，例如强度和硬度的提高，有些材料还会出现超塑性的现象。因此，纳米晶的形成与否成为以E690高强钢作为材料的海工平台关键零部件抗磨损和防腐蚀的重要指标之一。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种应用于海工平台的激光诱导微凹坑表面纳米化检测方法，以解决
技术介绍
中所提出的问题。为解决上述技术问题，本专利技术的实施例提供一种应用于海工平台的激光诱导微凹坑表面纳米化检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采用E690高强钢作为原材料，并采用激光冲击强化工艺制备海工平台抬升机构试样，并对海工平台抬升机构试样进行分组，分为多个样品组；海工平台抬升机构试样经激光冲击强化工艺的表面形成直径为2mm的微凹坑；S2、测量海工平台抬升机构试样的激光冲击区域表面残余应力；利用X射线衍射仪对每一块后的海工平台抬升机构试样，进行X射线衍射；在每块海工平台抬升机构试样的冲击区域随机选取微凹坑，在微凹坑中，按顺序测5个点，通过测角仪在每个测点的0°,45°以及90°三个方向各测1次，得到一组残余压应力图；S3、对一组残余压应力图中不同方向进行分析，计算出各组海工平台抬升机构试样中不同方向的残余压应力均值和方差；S4、建立激光冲击次数与不同方向的残余压应力均值和方差的二维坐标系，绘制均值和方差随激光冲击次数变化的曲线图,通过透射电镜及电子衍射实验，验证激光功率为7.96GW/cm2时三个方向残余应力差值不超过10%、方差为182、半高宽阈值2.78°，所对应的激光冲击强化次数为2次，E690高强钢表面形成纳米晶；S5、通过透射电镜及电子衍射实验，验证三个方向残余应力差值不超过10%、方差为182、半高宽阈值2.78°所对应的激光冲击强化次数为E690高强钢表面形成纳米晶的最少冲击次数；当冲击微造型使三个方向的表面残余应力趋于一致且对应的工艺参数超过其阈值时，E690高强钢表面形成纳米晶。进一步的，所述步骤S1中，制备海工平台抬升机构试样的具体过程包括：采用E690高强钢，通过线切割将材料加工成30mm×25mm×5mm的E690高强钢试样；采用砂纸对E690高强钢试样表面打磨抛光，并对E690高强钢试样的表面处理并吹干；采用厚0.1mm的3M铝膜作为吸收保护层，便于粘贴和清除，采用去离子水作为约束层；采用激光器对若干块E690高强钢试样以冲击功率：2.50GW/cm2、4.80GW/cm2、7.96GW/cm2分别进行激光冲击强化，冲击次数为一次，冲击功率为7.96GW/cm2时，增加冲击次数，分别为2次、3次，光斑直径为2mm；并将经激光冲击强化工艺后形成的海工平台抬升机构试样按照冲击次数分为样品组一、样品组二、样品组三、样品组四、样品组五。其中，所述E690高强钢试样表面处理的过程具体包括以下步骤：a.采用纯乙醇或丙酮清洗剂对样品进行浸泡清洗，浸泡清洗时间为3-10min；b.对浸泡清洗后的样品进行超声清洗，超声清洗时间为1-5min，确保样品表面无残留杂质。进一步的，所述步骤S2中，测角仪采用1mm的准直管，布拉格角为156.4°，管电流为6.7mA，管电压为30KV，曝光时间为15s，测量方法选用侧倾法。进一步的，所述步骤S2中，5个测试点包括设置在中间的第五测试点和均匀环绕第五测试点四周设置的第一测试点、第二测试点、第三测试点和第四测试点。进一步的，所述步骤S5中，透射电镜及电子衍射实验包括以下步骤：先对海工平台抬升机构试样分别拍摄透射电镜图，对局部晶粒尺寸的检测；后对拍摄电镜图后的若干块样品分别进行电子衍射，当其电子衍射图中花样呈现同心圆环的形状时，表明晶粒取向随机，纳米晶分布均匀，即所观察的区域存在分布均匀的纳米晶粒。（1）本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：本专利技术的一种应用于海工平台的激光诱导微凹坑表面纳米化检测方法中，通过制作E690高强钢的制备海工平台抬升机构多组样品组，验证了E690高强钢表面经激光冲击强化工艺形成纳米晶的方法的可靠性；通过采用超过E690高强钢表面形成纳米晶的最小激光冲击强化次数进行的极端塑性应变，能够产生在E690高强钢的制备海工平台抬升机构试样形成纳米晶，无需破坏E690高强钢材料表进行检测，适用于实际生产过程。（2）本专利技术探明了激光冲击强化工艺参数、残余应力与微观组织的多尺度关系，获得了激光对材料表面改形和改性规律，为下一步研究激光冲击微凹坑阵列改善海工平台抬升机构的摩擦学性能提供了技术支持。（3）本专利技术中激光冲击2次及以上时，冲击试样各方向残余压应力测量值趋于一致，FWHM值逐渐增大，晶粒尺寸进一步细化。附图说明图1为本专利技术的激光冲击微凹坑中各检测点位置分布示意图；图2为本专利技术实施例中针对不同方向的残余压应力均值随冲击次数变化曲线图；图3为本专利技术实施例中针对不同方向的残余压应力方差随冲击次数变化曲线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于海工平台的激光诱导微凹坑表面纳米化检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采用E690高强钢作为原材料，并采用激光冲击强化工艺制备海工平台抬升机构试样，并对海工平台抬升机构试样进行分组，分为多个样品组；通过摩擦试验机对冲击微织构表面摩擦学性能进行测试，选取最优的冲击为凹坑尺寸2mm，海工平台抬升机构试样经激光冲击强化工艺的表面形成直径为2mm的微凹坑； S2、测量海工平台抬升机构试样的激光冲击区域表面残余应力；利用X射线衍射仪残余应力测试仪对每一块后的海工平台抬升机构试样，进行X射线衍射；在每块海工平台抬升机构试样的冲击区域随机选取微凹坑，在微凹坑中，按顺序测5个点，通过测角仪在每个测点的0°, 45°以及90°三个方向各测1次，得到一组残余应力测试结果并获得相应的半高宽值；S3、对一组残余压应力测试结果中不同方向进行分析，计算出各组海工平台抬升机构试样中不同方向的残余压应力均值和方差；S4、建立激光冲击次数与不同方向的残余压应力均值和方差的二维坐标系，绘制均值和方差随激光冲击次数变化的曲线图；通过透射电镜及电子衍射实验，验证激光功率为7.96GW/cm

【技术特征摘要】
1.一种应用于海工平台的激光诱导微凹坑表面纳米化检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采用E690高强钢作为原材料，并采用激光冲击强化工艺制备海工平台抬升机构试样，并对海工平台抬升机构试样进行分组，分为多个样品组；通过摩擦试验机对冲击微织构表面摩擦学性能进行测试，选取最优的冲击为凹坑尺寸2mm，海工平台抬升机构试样经激光冲击强化工艺的表面形成直径为2mm的微凹坑；S2、测量海工平台抬升机构试样的激光冲击区域表面残余应力；利用X射线衍射仪残余应力测试仪对每一块后的海工平台抬升机构试样，进行X射线衍射；在每块海工平台抬升机构试样的冲击区域随机选取微凹坑，在微凹坑中，按顺序测5个点，通过测角仪在每个测点的0°,45°以及90°三个方向各测1次，得到一组残余应力测试结果并获得相应的半高宽值；S3、对一组残余压应力测试结果中不同方向进行分析，计算出各组海工平台抬升机构试样中不同方向的残余压应力均值和方差；S4、建立激光冲击次数与不同方向的残余压应力均值和方差的二维坐标系，绘制均值和方差随激光冲击次数变化的曲线图；通过透射电镜及电子衍射实验，验证激光功率为7.96GW/cm2时三个方向残余应力差值不超过10%、方差为182、半高宽阈值2.78°，所对应的激光冲击强化次数为2次，E690高强钢表面形成纳米晶；S5、通过透射电镜及电子衍射实验，验证三个方向残余应力差值不超过10%、方差为182、半高宽阈值2.78°所对应的激光冲击强化次数为E690高强钢表面形成纳米晶的最少冲击次数；当冲击微造型使三个方向的表面残余应力趋于一致且对应的工艺参数超过其阈值时，E690高强钢表面形成纳米晶。2.根据权利要求1所述的一种应用于海工平台的激光诱导微凹坑表面纳米化检测方法，其特征在于，所述步骤S1中，制备海工平台抬升机构试样的具体过程包括：采用E690高强钢，通过线切割将材料加工成30mm×25mm×5mm的E690高强钢试样；采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹宇鹏，葛良辰，施卫东，花国然，王恒，谭林伟，王振刚，仇明，杨聪，张悦，曹晨，王帅，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32