專利名稱：一種沉淀硬化不銹鋼的表面復(fù)合強(qiáng)化工藝及沉淀硬化不銹鋼材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種沉淀硬化不銹鋼材料，尤其涉及一種沉淀硬化不銹鋼的表面復(fù)合 強(qiáng)化技術(shù)。
背景技術(shù)：
沉淀硬化不銹鋼，具有比強(qiáng)度大、屈強(qiáng)比高、強(qiáng)韌兼?zhèn)?、彈性性能?yōu)異、耐蝕性和熱 穩(wěn)定性好、加工成型性及焊接性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械制造、原子 能等重要領(lǐng)域。尤其是具有無碳馬氏體相變強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化兩種效應(yīng)疊加的高強(qiáng)度時(shí)效不 銹鋼，被廣泛應(yīng)用于大容量輪機(jī)部件、核反應(yīng)堆部件、火箭發(fā)動機(jī)殼體、導(dǎo)彈和飛機(jī)等工業(yè) 重要裝備或武器的重要構(gòu)件中。由該類材料制造的零部件擔(dān)負(fù)著現(xiàn)代工業(yè)或國防中的重要 角色，它們的失效往往是致命的，將造成巨大損失。這些失效有一個(gè)共同特點(diǎn)，即由局部位 置的磨損、疲勞以及腐蝕等失效方式引起。目前整體固溶處理一般采用固溶加時(shí)效的工藝，即先將工件整體加熱至固溶線溫 度以上保溫，獲得均勻的單相固溶體，然后快冷至室溫得到過飽和固溶體；再將固溶處理后 的合金加熱到固溶線以下某一溫度保溫一定時(shí)間后實(shí)現(xiàn)脫溶分解，通過析出富銅相(e-Cu) 和碳化物等實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化。用于表面強(qiáng)化處理的常規(guī)方法主要有表面滲氮或氮碳共滲、表面滲 金屬、熱噴涂等。整體固溶處理和常規(guī)表面處理為沉淀硬化不銹鋼的性能挖掘發(fā)揮了重要作用，然 而無論是整體固溶處理還是表面處理，隨著研究的深入，問題開始顯現(xiàn)(1)兩者都不可避 免地需整體加熱至高溫，并長時(shí)間保溫，這個(gè)過程不僅成本高、能源消耗大，而且高溫加熱 和冷卻過程中的氧化、工件變形難于避免，性能難于保證；(2)由于滲氮或鈦等表面處理時(shí) 的二次整體加熱，勢必對原有基體固溶析出強(qiáng)化相產(chǎn)生影響。此外，后者表面強(qiáng)化層的厚度 相對較薄(通常為微米級)；如果采用噴涂法，還存在涂層剝落的危險(xiǎn)。隨著單機(jī)容量的不 斷提高，鋼葉片的最大圓周速度已提高到650m/s以上，葉片的應(yīng)力水平更高，鑲硬質(zhì)合金、 高頻淬硬、火焰淬硬等傳統(tǒng)表面熱處理技術(shù)，雖然提高動葉片抗沖氣蝕能力，但都伴隨著犧 牲葉片部分疲勞強(qiáng)度性能為代價(jià)。面對日益嚴(yán)重的該類重要零部件局部失效的現(xiàn)象，整體 固溶或常規(guī)表面處理技術(shù)顯然無法適應(yīng)。在激光熱處理應(yīng)用領(lǐng)域，利用激光固溶或者合金化技術(shù)對汽輪機(jī)葉片已經(jīng)有相關(guān) 的報(bào)道。公開號為CN1740350A的專利文獻(xiàn)公開了一種汽輪機(jī)葉片進(jìn)氣邊的激光強(qiáng)化工藝， 其涉及激光固溶技術(shù)，經(jīng)處理后抗氣蝕性能有所提高，但是表層的硬度沒達(dá)至最理想的狀 態(tài)，約經(jīng)一年左右的工作，表面開始出現(xiàn)極細(xì)微的氣蝕麻點(diǎn)。而氣蝕的特點(diǎn)是一旦出現(xiàn)小麻 點(diǎn)，氣蝕的速度將加快。顯然對于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的葉片或表層要求耐磨的部件，其表層硬度不夠 高。此外，公開號為CN100500940C的專利文獻(xiàn)公開了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(yīng)用，其涉及的是激光合金化技術(shù)，雖然經(jīng)處理后，沉淀硬化不銹鋼的表 面硬度大幅提高，抗氣蝕性能也得到很大程度的改善。但由于此類材料幾乎不產(chǎn)生相變硬化，合金化層與基體的硬度突變即且合金化層的深度較淺。對于高速運(yùn)行下的長葉片進(jìn)氣 邊來說，該部位經(jīng)二、三年運(yùn)行后即出現(xiàn)氣蝕小麻點(diǎn)，由于其不具2Crl3類材料較硬度的次 表層過渡層，氣蝕一旦穿過合金化層，隨后的基體的硬度又低，氣蝕速度明顯加快。因此，對 于此類材料的葉片，單一的激光處理方法仍不能滿足實(shí)際葉片的要求。
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明人認(rèn)為，最理想的硬度分布應(yīng)該是表層具高硬度，以延縵氣蝕穿透合金化層 的時(shí)間；次表層又具有一定深度和硬度，這樣的組合可大幅提高材料的抗氣蝕性能。然而， 在實(shí)際應(yīng)用的試驗(yàn)中，采用先激光固溶處理，再拋光去除表面氧化層，預(yù)置合金粉末涂層， 激光合金化處理，時(shí)效處理的復(fù)雜工藝過程。并且，由于分為二次處理，葉片裝夾不具重復(fù) 性、固溶層與合金化層不重合；固溶后經(jīng)拋光的葉片溫度在室溫，其合金化處理的能耗較 高。因此，本發(fā)明提出可控選區(qū)性深層固溶與合金化同步復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)，既能滿足此類材料 葉片的高性能要求、工藝可靠，又能節(jié)能降耗，提高產(chǎn)品的性價(jià)比。現(xiàn)有技術(shù)中還沒有對此 類沉淀硬化不銹鋼材料激光深層固溶與合金化同步復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)的任何報(bào)道。針對普通熱處理或表面處理工藝以及激光固溶和合金化無法同時(shí)滿足沉淀硬化 不銹鋼材料所需要的局部強(qiáng)化層深度和局部優(yōu)良性能的要求，本發(fā)明提出一種用激光作為 熱源，對此類材料制造的工件進(jìn)行可控的選區(qū)性深層固溶與合金化復(fù)合強(qiáng)化工藝。本發(fā)明 的目的是解決固溶與合金化兩種技術(shù)同步復(fù)合存在的難題，并提供一種既具有局部高抗疲 勞強(qiáng)度以及固溶強(qiáng)化深度，同時(shí)又獲得較高表面硬度、耐磨損以及抗氣蝕性能的激光處理 方法。使處理區(qū)材料總體強(qiáng)化層深度、性能、硬化梯度得以控制，擴(kuò)大了沉淀不銹鋼的使用 范圍。為了達(dá)到上述的目的，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案一種沉淀硬化不銹鋼的表面復(fù)合強(qiáng)化工藝，包括如下步驟(1)清洗沉淀硬化不銹鋼基體處理區(qū)的表面，空氣中干燥；(2)在清潔后的沉淀硬化不銹鋼基體處理區(qū)的表面涂覆合金涂層；(3)待合金涂層干燥后，利用激光器進(jìn)行激光表面選區(qū)深層固溶與表層合金強(qiáng)化 同步處理；第一束激光束進(jìn)行激光固溶，其功率密度為500 2000W/cm2，激光固溶同時(shí)用 惰性氣體保護(hù)固溶處理區(qū)；第二束激光束進(jìn)行激光合金化，其功率密度為4 9kW/cm2 ；兩 束激光束中心間距為50 100mm，兩束激光束同步移動速度為100 400mm/min ；(4)最后進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效處理溫度為400°C _570°C，時(shí)效處理時(shí)間為2. 0 5. Oh0作為優(yōu)選，上述合金涂層的重量百分比為Cr 15 20%、Ni 10 15%、W 6 8%, Fe 7 8%、Si 1. 2 1. 5%、V 0. 5 0. 8%、Re 0. 1%、余 Co，粒度為 1 6 μ m。作為優(yōu)選，上述第一束激光束(固溶)的光斑尺寸范圍為(8 20)mmX (6 12) 讓，第二束激光束(合金化)的光斑尺寸范圍為(8 20)mmX(l 5)mm。所述沉淀硬化不銹鋼基體為0Crl7Ni4Cu4Nb (17-4PH)或X5CrNiCuNbl6_4等不銹 鋼材料。所述激光器為橫流CO2激光器。根據(jù)上述的表面復(fù)合強(qiáng)化工藝制備的沉淀硬化不銹鋼材料，激光表面固溶和合金 化厚度可控，其表層為厚度為0. 1 0. 2mm的合金化強(qiáng)化層，其次表層為厚度為1 3mm的
4固溶強(qiáng)化層。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、上述方案創(chuàng)造性地將固溶與合金化兩種技術(shù)結(jié)合，對沉淀硬化不銹鋼基體進(jìn)行 可控的選區(qū)性深層固溶與合金化同步復(fù)合強(qiáng)化，從而提供一種既具有局部高抗疲勞強(qiáng)度以 及固溶強(qiáng)化深度，同時(shí)又獲得較高表面硬度、耐磨損以及抗氣蝕性能的激光處理方法。克 服了現(xiàn)有技術(shù)中，因固溶與合金化兩種處理工藝的較大差異而無法進(jìn)行同步處理的技術(shù)偏 見。2、上述方案通過在第一束激光束處理后的固溶處理區(qū)施加惰性氣體保護(hù)(即在 兩束激光束之間添加同軸的氣體保護(hù)裝置)來防止合金粉末的氧化，確保激光合金化層的 性能，同時(shí)又可起到適當(dāng)冷卻固溶層的效果。避免了第一束光進(jìn)行固溶后未加保護(hù)冷卻裝 置，而第二束光直接進(jìn)行合金化，這會導(dǎo)致激光固溶后，合金粉末的氧化，影響隨后的合金 化層性能。3、上述方案通過在合金粉末中添加稀土元素Re，來抑制晶粒長大，細(xì)化晶粒，并提 高合金層的抗回火性能，以此來提高材料表面硬度及抗氣蝕性能，避免復(fù)合處理完畢后，對 材料進(jìn)行時(shí)效處理時(shí)，由于合金層組織發(fā)生回火，組織會長大，并且可能導(dǎo)致其中的硬質(zhì)相 分解，降低合金層的硬度。4、采用上述方案激光復(fù)合強(qiáng)化處理后的沉淀硬化不銹鋼材料，基體表層與合金 粉末形成理想的冶金結(jié)合，表面質(zhì)量好，無裂紋，成形好。其硬度較之基體有明顯的提 高，合金化層的硬度在HVa 2500-800，深度為0. 1 -0. 2mm ；次表層的固溶強(qiáng)化層的硬度在 HVQ.2400-500，深度為l-3mm。采用上述方案，提高了 17-4PH不銹鋼的強(qiáng)化硬度與深度、耐磨 損及抗氣蝕性能，大大拓寬了此類不銹鋼的應(yīng)用范圍。
圖1是本發(fā)明的激光選區(qū)性固溶與合金化深層復(fù)合強(qiáng)化處理示意圖；圖2是本發(fā)明復(fù)合強(qiáng)化工藝處理后的沉淀硬化不銹鋼材料強(qiáng)化層示意具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做一個(gè)詳細(xì)的說明。實(shí)施例1 如圖1所示的一種沉淀硬化不銹鋼的表面復(fù)合強(qiáng)化工藝，其中，1為第一束激光 束，2為第二束激光束，3和4均為氣體保護(hù)裝置，5為激光束運(yùn)動方向，6為工件。工件6材 料為17-4PH不銹鋼，表面經(jīng)過98%的丙酮清洗2次后，預(yù)置一層寬度為16mm、厚度為0. 4mm 的合金涂層，成分為 W6%,Crl9%,NilO%,Fe7%,Sil. 2%, V0. 8%,ReO. 1%、余 Co，待干燥 后，進(jìn)行激光處理。激光束來源為CO2激光器，其波長為10. 6 μ m，第一束激光束的功率密度為 1.875kW/cm2，光斑尺寸為16mmX 10mm，保護(hù)介質(zhì)為氬氣。第二束激光束的功率密度為6kW/ cm2，光斑尺寸為16mmX3mm，同步掃描速度為200mm/min。經(jīng)440°C /2小時(shí)的處理。最后獲 得表層的最高硬度為HVa2 740 ；平均硬度為HVa2 540 ；深度為IlOym的合金化層；其次為 平均硬度為HVa2430，深度為2. Omm的固溶強(qiáng)化層。抗氣蝕性能較原基體提高2倍左右。
工件復(fù)合強(qiáng)化層如圖2所示，其中，61為基體，62為熱影響區(qū)，63為激光固溶強(qiáng)化 層，64為激光合金化層。實(shí)施例2 在材質(zhì)為17-4PH不銹鋼基體上涂覆一層寬度為12mm、厚度為0.5mm的合金涂 層，成份為:W8%,Cr20%,Nil2%,Fe8%,Sil. 5%, V0. 5%, ReO. 1%、余 Co。干燥后，再經(jīng) 激光處理，第一光束的功率密度1.625kW/cm2，光斑尺寸12mmX8mm，冷卻介質(zhì)為氬氣。時(shí) 效溫度為440°C，4h ；第二光束的功率密度9kWcm2，光斑尺寸12mmXlmm，同步掃描速度為 300mm/min。最后獲得合金化表層平均硬度為HVa2650，硬化層為150 μ m ；次表層平均硬度 為HVa2410，硬化層深為1. 5mm，抗氣蝕性能較原基體提高3倍左右。
權(quán)利要求
一種沉淀硬化不銹鋼的表面復(fù)合強(qiáng)化工藝，其特征在于，包括如下步驟(1)清洗沉淀硬化不銹鋼基體處理區(qū)的表面，空氣中干燥；(2)在清潔后的沉淀硬化不銹鋼基體處理區(qū)的表面涂覆合金涂層；(3)待合金涂層干燥后，利用激光器進(jìn)行激光表面選區(qū)深層固溶與表層合金強(qiáng)化同步處理；第一束激光束進(jìn)行激光固溶，其功率密度為500～2000W/cm2，激光固溶同時(shí)用惰性氣體保護(hù)固溶處理區(qū)；第二束激光束進(jìn)行激光合金化，其功率密度為4～9kW/cm2；兩束激光束中心間距為50～100mm，兩束激光束同步移動速度為100～400mm/min；(4)最后進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效處理溫度為400℃～570℃，時(shí)效處理時(shí)間為2.0～5.0h。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沉淀硬化不銹鋼的表面復(fù)合強(qiáng)化工藝，其特征在于，所 述合金涂層的重量百分比為Cr 15 20%、Nil0 15%、W 6 8%、Fe7 8%、Si 1. 2 1. 5%, V 0. 5 0. 8%, Re 0. 1%、余 Co，粒度為 1 6 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沉淀硬化不銹鋼的表面復(fù)合強(qiáng)化工藝，其特征在于，所 述第一束激光束的光斑尺寸范圍為(8 20)mmX (6 12)mm，第二束激光束的光斑尺寸范 圍為(8 20)mmX (1 5)_。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沉淀硬化不銹鋼的表面復(fù)合強(qiáng)化工藝，其特征在于，所 述沉淀硬化不銹鋼基體為17-4PH不銹鋼材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沉淀硬化不銹鋼的表面復(fù)合強(qiáng)化工藝，其特征在于，所 述激光器為橫流CO2激光器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的表面復(fù)合強(qiáng)化工藝制備的沉淀硬化不銹鋼材 料，其表層為厚度為0. 1 0. 2mm的合金化強(qiáng)化層，其次表層為厚度為1 3mm的固溶強(qiáng)化 層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種沉淀硬化不銹鋼的表面復(fù)合強(qiáng)化工藝及采用該工藝處理的沉淀硬化不銹鋼材料，采用兩束激光同步對基體進(jìn)行可控的選區(qū)性深層固溶與合金化復(fù)合強(qiáng)化處理，解決了固溶與合金化兩種技術(shù)同步復(fù)合存在的難題，并提供一種既具有局部高抗疲勞強(qiáng)度以及固溶強(qiáng)化深度，同時(shí)又獲得較高表面硬度、耐磨損以及抗氣蝕性能的激光處理方法。使處理區(qū)材料總體強(qiáng)化層深度、性能、硬化梯度得以控制，擴(kuò)大了沉淀不銹鋼的使用范圍。
文檔編號C23F17/00GK101956198SQ201010505319
公開日2011年1月26日 申請日期2010年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月13日
發(fā)明者葉詩豪, 姚建華 申請人:姚建華