專利名稱：一種表面激光合金化的沉淀硬化不銹鋼及其制備工藝和應用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種沉淀硬化不銹鋼材料，尤其涉及一種表面經(jīng)激光合金化的沉淀硬化不銹鋼材料及其制備工藝和應用。
背景技術(shù)：
激光合金化是利用激光將基體金屬表面熔化，同時加入合金元素，以基體為溶劑，合金元素為溶質(zhì)，基體上構(gòu)成一層濃度相當高且相當均勻的合金層，從而達到所要求的耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化等特殊性能。利用激光表面合金化工藝可在一些表面性能差、價格便宜的基體金屬表面制備出耐磨、耐蝕、耐高溫的表面合金，用于取代昂貴的整體合金，節(jié)約貴重金屬材料和戰(zhàn)略材料，使廉價合金獲得更廣泛的應用，從而大幅度降低成本。
1964年，F(xiàn).E.Cumningham首先采用紅寶石激光器開發(fā)了激光合金化技術(shù)，從此，伴隨激光器件的性能完善和大功率激光器的開發(fā)，激光表面合金化技術(shù)得到了迅速發(fā)展，尤其是80年代以來，歐美各國對激光表面合金化技術(shù)寄予了很大的期望，投入了大量的人力、物力和財力，進行了較為廣泛的研究。在我國，近幾年來激光表面合金化的研究工作也十分活躍。為了這項技術(shù)的全面發(fā)展，人們在基體金屬材料的選擇和合金化元素的配比方面已進行了大量深入而廣泛的研究。基材不僅涉及到碳鋼、合金鋼、高速鋼、不銹鋼、模具鋼和鑄鐵等鋼鐵材料，而且還涉及到Al、Ti、Ni、Cu、Mg及其合金等有色金屬材料，以及它們的碳化物、氧化物、氮化物和硼化物等。
17-4PH不銹鋼材料是一種綜合性能優(yōu)良的沉淀硬化不銹鋼材料，但在汽輪機葉片上的應用時，其表面硬度、抗沖蝕性能均不夠?，F(xiàn)有技術(shù)中還未有對此類沉淀硬化不銹鋼材料激光表面合金化技術(shù)的任何報道。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決17-4PH不銹鋼材料表面硬度不高，抗沖蝕性能差的技術(shù)缺陷，本發(fā)明的一個目的是提供一種能極大的提高沉淀硬化不銹鋼表面硬度的同時，又能保持基體原先的各項優(yōu)良指標的沉淀硬化不銹鋼材料，大大拓寬了沉淀硬化不銹鋼材料的使用范圍。
本發(fā)明的另外一個目的是提供上述的沉淀硬化不銹鋼材料的制備方法。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的第一個目的，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案一種表面激光合金化的沉淀硬化不銹鋼，由沉淀硬化不銹鋼基體和合金化涂覆層組成，所述的合金涂覆層由含有W、Co、Cr、Ni合金粉的涂料經(jīng)激光合金化工藝處理得到。
作為優(yōu)選方案所述的合金粉中W、Co、Cr、Ni的重量百分比為W 50～60％、Co 15～20％、Cr 15～20％、Ni 7～10％。
作為優(yōu)選方案所述的合金粉中還包括Fe 0.5～2％、Si 1.2～1.5％。
作為優(yōu)選方案表面合金化層的厚度為40～80μm。
作為優(yōu)選方案所述的沉淀硬化不銹鋼基體為17-4PH不銹鋼材料。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的第二個目的，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案上述各方案所述的一種表面激光合金化的沉淀硬化不銹鋼的制備工藝，該工藝包括以下的工藝步驟1)用清洗劑清洗沉淀硬化不銹鋼的待處理表面，干燥；2)涂覆一層含有W、Co、Cr、Ni合金粉的涂料，形成預涂覆層；3)預涂覆層干燥后，用功率密度為103～104W/cm2，掃描速度為5～10mm/s的激光束進行處理，同時用惰性氣體保護處理區(qū)，在沉淀硬化不銹鋼表面形成合金化涂覆層。
作為優(yōu)選方案上述的步驟2)所述預涂覆層的厚度為0.1～0.5mm。
作為優(yōu)選方案上述的步驟1)所述的清洗劑為純度為98％的丙酮，清洗需重復兩次。
作為優(yōu)選方案所述的沉淀硬化不銹鋼基體為17-4PH不銹鋼材料，上述的步驟3)中所用激光器為CO2激光器，其波長為10.6μm，激光的功率密度為103～104W/cm2，掃描速度為5～10mm/s，離焦量為0，光斑尺寸為(10～16)×2mm2，光束豎直照射處理表面。
本發(fā)明的優(yōu)點在于在不影響沉淀硬化不銹鋼基體性能的前提下，在沉淀硬化不銹鋼表面獲得了高硬度的合金涂覆層，且此合金層表面質(zhì)量好，無裂紋，成形好，無需后處理。合金層的表面硬度最高達到HV0.21160，平均硬度可達HV0.2800，硬化層深約為50μm。用本發(fā)明的工藝處理后的工件無需后處理，且實現(xiàn)該工藝相對方便，容易推廣，可實現(xiàn)高效率、大規(guī)模的批量應用。
本發(fā)明另外還提供了17-4PH不銹鋼材料在制備汽輪機葉片上的應用。由于采用了上述的技術(shù)方案，徹底解決了17-4PH不銹鋼表面硬度不高的缺點，大大拓寬了此類沉淀硬化型不銹鋼的使用范圍，特別是在制備汽輪機葉片上，提高葉片進氣邊的抗沖蝕性能，大大提高該葉片的工作壽命，對提高整個汽輪機組的安全性，延長大修期具有十分積極的作用。
圖1為本發(fā)明激光合金化處理示意圖。
具體實施例方式
實施例一下面結(jié)合圖1對本發(fā)明實施例作一詳細說明1為激光束，2為保護氣體，3為工件，4為激光束運動方向。工件材料為17-4PH不銹鋼，經(jīng)過固溶(1020～1060℃)和時效(500～580℃)處理，為一種綜合性能優(yōu)良的沉淀硬化不銹鋼。表面經(jīng)98％的丙酮清洗2次后，預涂覆一層寬度為16mm、厚度為0.4mm的合金涂層，合金涂層中含有W 52％、Co 18％、Cr 20％、Ni 8％、Fe 1％、Si 1％，待干燥后，進行激光處理。
激光束來源為CO2激光器，其波長為10.6μm，功率密度為7.8×103W/cm2，激光豎直照射于工件表面。其中光斑的尺寸為16×2mm，離焦量為0。處理時，工件保持靜止，激光束以9mm/s的速度運動，保護氣體在運動方向的前端，與光束呈30°送入。
按照此工藝進行處理后的17-4PH不銹鋼，表面獲得了一層硬度極高的合金層，其硬度較之基體明顯提高，合金化層的厚度為50μm，無裂紋、氣孔等缺陷，且表面質(zhì)量優(yōu)良。合金層為晶粒極細的非平衡組織，且與基體表面形成理想的冶金結(jié)合。
本發(fā)明可使17-4PH不銹鋼達到原先熱處理工藝所無法達到的高表面硬度，且不影響基體的各項機械性能。工藝簡便易于控制，可適應于加工不同形狀、不同厚度和需要不同性能的工件。
實施例二在材質(zhì)為17-4PH，原始硬度為HV0.2380的QD238葉片背弧側(cè)清洗并涂覆一層寬度為18mm、厚度為0.5mm的合金涂層，合金涂層中含有W 56％、Co 20％、Cr 15％、Ni 7％、Fe 0.8％、Si 1.2％。按葉片型線編程，其激光處理工藝參數(shù)為功率密度8.3×103W/cm2，V＝8mm/s，光斑尺寸為12×2mm；經(jīng)激光處理后分取5點獲得硬度為HV0.2882，898，995，876，781，合金化層深為60μm的合金化層。經(jīng)該方法處理的葉片，經(jīng)裝機使用，結(jié)果表明其抗水汽蝕性能明顯提高，且安全可靠。
權(quán)利要求
1.一種表面激光合金化的沉淀硬化不銹鋼，其特征在于由沉淀硬化不銹鋼基體和合金化涂覆層組成，所述的合金涂覆層由含有W、Co、Cr、Ni合金粉的涂料經(jīng)激光合金化工藝處理得到。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面激光合金化的沉淀硬化不銹鋼，其特征在于所述的合金粉中W、Co、Cr、Ni的重量百分比為W 50～60％、Co 15～20％、Cr 15～20％、Ni 7～10％。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種表面激光合金化的沉淀硬化不銹鋼，其特征在于所述的合金粉中還包括Fe 0.5～2％、Si 1.2～1.5％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面激光合金化的沉淀硬化不銹鋼，其特征在于表面合金化層的厚度為40～80μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4任意一權(quán)利要求所述的一種表面激光合金化的沉淀硬化不銹鋼，其特征在于所述的沉淀硬化不銹鋼基體為17-4PH不銹鋼材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種表面激光合金化的沉淀硬化不銹鋼在制備汽輪機葉片上的應用。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～4任意一權(quán)利要求所述的一種表面激光合金化的沉淀硬化不銹鋼的制備工藝，其特征在于該工藝包括以下的工藝步驟1)用清洗劑清洗沉淀硬化不銹鋼的待處理表面，干燥；2)涂覆一層含有W、Co、Cr、Ni合金粉的涂料，形成預涂覆層；3)預涂覆層干燥后，用功率密度為103～104W/cm2，掃描速度為5～10mm/s的激光束進行處理，同時用惰性氣體保護處理區(qū)，在沉淀硬化不銹鋼表面形成合金化涂覆層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種表面激光合金化的沉淀硬化不銹鋼的制備工藝，其特征在于步驟2)所述預涂覆層的厚度為0.1～0.5mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種表面激光合金化的沉淀硬化不銹鋼的制備工藝，其特征在于步驟1)所述的清洗劑為純度為98％的丙酮，清洗需重復兩次。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種表面激光合金化的沉淀硬化不銹鋼的制備工藝，其特征在于所述的沉淀硬化不銹鋼為17-4PH不銹鋼材料，上述的步驟3)中所用激光器為CO2激光器，其波長為10.6μm，激光的功率密度為103～104W/cm2，掃描速度為5～10mm/s，離焦量為0，光斑尺寸為(10～16)×2mm2，光束豎直照射處理表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種沉淀硬化不銹鋼材料，尤其涉及一種表面經(jīng)激光合金化的沉淀硬化不銹鋼材料及其制備工藝和應用。一種表面激光合金化的沉淀硬化不銹鋼，由沉淀硬化不銹鋼基體和合金化涂覆層組成，所述的合金涂覆層由含有W、Co、Cr、Ni合金粉的涂料經(jīng)激光合金化工藝處理得到。本發(fā)明另外還提供了該不銹鋼的制備方法和用途。本發(fā)明徹底解決了這種不銹鋼的表面硬度相對較低的缺點，經(jīng)過本發(fā)明的工藝處理后的沉淀硬化不銹鋼，既保留了原先優(yōu)良的綜合機械性能，又具有極高的表面硬度，使此類不銹鋼的應用范圍大大擴展，其中17－4PH不銹鋼尤其適用于制備汽輪機葉片。
文檔編號C21D1/09GK1912182SQ200610052899
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月11日
發(fā)明者姚建華, 樓程華 申請人:杭州博華激光技術(shù)有限公司