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)化和時效強(qiáng)化兩種效應(yīng)疊加的高強(qiáng)度時效不 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，并長時間保溫，這個過程不僅成本高、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 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。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。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)品的性價比?，F(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)行時效處理，時效處理溫度為400°C _570°C，時效處理時間為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)行時效處理時，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?？箽馕g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 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)行時效處理，時效處理溫度為400℃～570℃，時效處理時間為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