一种沉淀硬化不锈钢的表面复合强化工艺及沉淀硬化不锈钢材料

摘要

本发明公开了一种沉淀硬化不锈钢的表面复合强化工艺及采用该工艺处理的沉淀硬化不锈钢材料，采用两束激光同步对基体进行可控的选区性深层固溶与合金化复合强化处理，解决了固溶与合金化两种技术同步复合存在的难题，并提供一种既具有局部高抗疲劳强度以及固溶强化深度，同时又获得较高表面硬度、耐磨损以及抗气蚀性能的激光处理方法。使处理区材料总体强化层深度、性能、硬化梯度得以控制，扩大了沉淀不锈钢的使用范围。

说明书

技术领域

本发明涉及一种沉淀硬化不锈钢材料，尤其涉及一种沉淀硬化不锈钢的表面复合强化技术。

背景技术

沉淀硬化不锈钢，具有比强度大、屈强比高、强韧兼备、弹性性能优异、耐蚀性和热稳定性好、加工成型性及焊接性能优良等优点，现已广泛应用于航空、航天、机械制造、原子能等重要领域。尤其是具有无碳马氏体相变强化和时效强化两种效应叠加的高强度时效不锈钢，被广泛应用于大容量轮机部件、核反应堆部件、火箭发动机壳体、导弹和飞机等工业重要装备或武器的重要构件中。由该类材料制造的零部件担负着现代工业或国防中的重要角色，它们的失效往往是致命的，将造成巨大损失。这些失效有一个共同特点，即由局部位置的磨损、疲劳以及腐蚀等失效方式引起。

目前整体固溶处理一般采用固溶加时效的工艺，即先将工件整体加热至固溶线温度以上保温，获得均匀的单相固溶体，然后快冷至室温得到过饱和固溶体；再将固溶处理后的合金加热到固溶线以下某一温度保温一定时间后实现脱溶分解，通过析出富铜相(e-Cu)和碳化物等实现强化。用于表面强化处理的常规方法主要有表面渗氮或氮碳共渗、表面渗金属、热喷涂等。

整体固溶处理和常规表面处理为沉淀硬化不锈钢的性能挖掘发挥了重要作用，然而无论是整体固溶处理还是表面处理，随着研究的深入，问题开始显现：(1)两者都不可避免地需整体加热至高温，并长时间保温，这个过程不仅成本高、能源消耗大，而且高温加热和冷却过程中的氧化、工件变形难于避免，性能难于保证；(2)由于渗氮或钛等表面处理时的二次整体加热，势必对原有基体固溶析出强化相产生影响。此外，后者表面强化层的厚度相对较薄(通常为微米级)；如果采用喷涂法，还存在涂层剥落的危险。随着单机容量的不断提高，钢叶片的最大圆周速度已提高到650m/s以上，叶片的应力水平更高，镶硬质合金、高频淬硬、火焰淬硬等传统表面热处理技术，虽然提高动叶片抗冲气蚀能力，但都伴随着牺牲叶片部分疲劳强度性能为代价。面对日益严重的该类重要零部件局部失效的现象，整体固溶或常规表面处理技术显然无法适应。

在激光热处理应用领域，利用激光固溶或者合金化技术对汽轮机叶片已经有相关的报道。公开号为CN1740350A的专利文献公开了一种汽轮机叶片进气边的激光强化工艺，其涉及激光固溶技术，经处理后抗气蚀性能有所提高，但是表层的硬度没达至最理想的状态，约经一年左右的工作，表面开始出现极细微的气蚀麻点。而气蚀的特点是一旦出现小麻点，气蚀的速度将加快。显然对于高速运转的叶片或表层要求耐磨的部件，其表层硬度不够高。此外，公开号为CN100500940C的专利文献公开了一种表面激光合金化的沉淀硬化不锈钢及其制备工艺和应用，其涉及的是激光合金化技术，虽然经处理后，沉淀硬化不锈钢的表面硬度大幅提高，抗气蚀性能也得到很大程度的改善。但由于此类材料几乎不产生相变硬化，合金化层与基体的硬度突变即且合金化层的深度较浅。对于高速运行下的长叶片进气边来说，该部位经二、三年运行后即出现气蚀小麻点，由于其不具2Cr13类材料较硬度的次表层过渡层，气蚀一旦穿过合金化层，随后的基体的硬度又低，气蚀速度明显加快。因此，对于此类材料的叶片，单一的激光处理方法仍不能满足实际叶片的要求。

发明内容

发明人认为，最理想的硬度分布应该是表层具高硬度，以延缦气蚀穿透合金化层的时间；次表层又具有一定深度和硬度，这样的组合可大幅提高材料的抗气蚀性能。然而，在实际应用的试验中，采用先激光固溶处理，再抛光去除表面氧化层，预置合金粉末涂层，激光合金化处理，时效处理的复杂工艺过程。并且，由于分为二次处理，叶片装夹不具重复性、固溶层与合金化层不重合；固溶后经抛光的叶片温度在室温，其合金化处理的能耗较高。因此，本发明提出可控选区性深层固溶与合金化同步复合强化技术，既能满足此类材料叶片的高性能要求、工艺可靠，又能节能降耗，提高产品的性价比。现有技术中还没有对此类沉淀硬化不锈钢材料激光深层固溶与合金化同步复合强化技术的任何报道。

针对普通热处理或表面处理工艺以及激光固溶和合金化无法同时满足沉淀硬化不锈钢材料所需要的局部强化层深度和局部优良性能的要求，本发明提出一种用激光作为热源，对此类材料制造的工件进行可控的选区性深层固溶与合金化复合强化工艺。本发明的目的是解决固溶与合金化两种技术同步复合存在的难题，并提供一种既具有局部高抗疲劳强度以及固溶强化深度，同时又获得较高表面硬度、耐磨损以及抗气蚀性能的激光处理方法。使处理区材料总体强化层深度、性能、硬化梯度得以控制，扩大了沉淀不锈钢的使用范围。

为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种沉淀硬化不锈钢的表面复合强化工艺，包括如下步骤：

(1)清洗沉淀硬化不锈钢基体处理区的表面，空气中干燥；

(2)在清洁后的沉淀硬化不锈钢基体处理区的表面涂覆合金涂层；

(3)待合金涂层干燥后，利用激光器进行激光表面选区深层固溶与表层合金强化同步处理；第一束激光束进行激光固溶，其功率密度为500～2000W/cm²，激光固溶同时用惰性气体保护固溶处理区；第二束激光束进行激光合金化，其功率密度为4～9kW/cm²；两束激光束中心间距为50～100mm，两束激光束同步移动速度为100～400mm/min；

(4)最后进行时效处理，时效处理温度为400℃-570℃，时效处理时间为2.0～5.0h。

作为优选，上述合金涂层的重量百分比为：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，粒度为1～6μm。

作为优选，上述第一束激光束(固溶)的光斑尺寸范围为(8～20)mm×(6～12)mm，第二束激光束(合金化)的光斑尺寸范围为(8～20)mm×(1～5)mm。

所述沉淀硬化不锈钢基体为0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH)或X5CrNiCuNb16-4等不锈钢材料。所述激光器为横流CO₂激光器。

根据上述的表面复合强化工艺制备的沉淀硬化不锈钢材料，激光表面固溶和合金化厚度可控，其表层为厚度为0.1～0.2mm的合金化强化层，其次表层为厚度为1～3mm的固溶强化层。

本发明具有以下优点：

1、上述方案创造性地将固溶与合金化两种技术结合，对沉淀硬化不锈钢基体进行可控的选区性深层固溶与合金化同步复合强化，从而提供一种既具有局部高抗疲劳强度以及固溶强化深度，同时又获得较高表面硬度、耐磨损以及抗气蚀性能的激光处理方法。克服了现有技术中，因固溶与合金化两种处理工艺的较大差异而无法进行同步处理的技术偏见。

2、上述方案通过在第一束激光束处理后的固溶处理区施加惰性气体保护(即在两束激光束之间添加同轴的气体保护装置)来防止合金粉末的氧化，确保激光合金化层的性能，同时又可起到适当冷却固溶层的效果。避免了第一束光进行固溶后未加保护冷却装置，而第二束光直接进行合金化，这会导致激光固溶后，合金粉末的氧化，影响随后的合金化层性能。

3、上述方案通过在合金粉末中添加稀土元素Re，来抑制晶粒长大，细化晶粒，并提高合金层的抗回火性能，以此来提高材料表面硬度及抗气蚀性能，避免复合处理完毕后，对材料进行时效处理时，由于合金层组织发生回火，组织会长大，并且可能导致其中的硬质相分解，降低合金层的硬度。

4、采用上述方案激光复合强化处理后的沉淀硬化不锈钢材料，基体表层与合金粉末形成理想的冶金结合，表面质量好，无裂纹，成形好。其硬度较之基体有明显的提高，合金化层的硬度在HV_0.2500-800，深度为0.1-0.2mm；次表层的固溶强化层的硬度在HV_0.2400-500，深度为1-3mm。采用上述方案，提高了17-4PH不锈钢的强化硬度与深度、耐磨损及抗气蚀性能，大大拓宽了此类不锈钢的应用范围。

附图说明

图1是本发明的激光选区性固溶与合金化深层复合强化处理示意图；

图2是本发明复合强化工艺处理后的沉淀硬化不锈钢材料强化层示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。

实施例1：

如图1所示的一种沉淀硬化不锈钢的表面复合强化工艺，其中，1为第一束激光束，2为第二束激光束，3和4均为气体保护装置，5为激光束运动方向，6为工件。工件6材料为17-4PH不锈钢，表面经过98％的丙酮清洗2次后，预置一层宽度为16mm、厚度为0.4mm的合金涂层，成分为W6％、Cr19％、Ni10％、Fe7％、Si1.2％，V0.8％、Re0.1％、余Co，待干燥后，进行激光处理。

激光束来源为CO₂激光器，其波长为10.6μm，第一束激光束的功率密度为1.875kW/cm²，光斑尺寸为16mm×10mm，保护介质为氩气。第二束激光束的功率密度为6kW/cm²，光斑尺寸为16mm×3mm，同步扫描速度为200mm/min。经440℃/2小时的处理。最后获得表层的最高硬度为HV_0.2：740；平均硬度为HV_0.2：540；深度为110μm的合金化层；其次为平均硬度为HV_0.2430，深度为2.0mm的固溶强化层。抗气蚀性能较原基体提高2倍左右。

工件复合强化层如图2所示，其中，61为基体，62为热影响区，63为激光固溶强化层，64为激光合金化层。

实施例2：

在材质为17-4PH不锈钢基体上涂覆一层宽度为12mm、厚度为0.5mm的合金涂层，成份为：W8％、Cr20％、Ni12％、Fe8％、Si1.5％、V0.5％、Re0.1％、余Co。干燥后，再经激光处理，第一光束的功率密度1.625kW/cm²，光斑尺寸12mm×8mm，冷却介质为氩气。时效温度为440℃，4h；第二光束的功率密度9kWcm²，光斑尺寸12mm×1mm，同步扫描速度为300mm/min。最后获得合金化表层平均硬度为HV_0.2650，硬化层为150μm；次表层平均硬度为HV_0.2410，硬化层深为1.5mm，抗气蚀性能较原基体提高3倍左右。