專利名稱：一種沉淀硬化馬氏體不銹鋼表面合金化的處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種沉淀硬化馬氏體不銹鋼表面合金化的處理方法。
背景技術(shù)：
沉淀硬化馬氏體不銹鋼，易于加工、強(qiáng)度高、韌性好，已被廣泛應(yīng)用于航空、航天和民用動(dòng)力機(jī)械等領(lǐng)域的一些關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)，如輪機(jī)轉(zhuǎn)子、渦輪盤(pán)、葉片和動(dòng)密封環(huán)等。在實(shí)際使用過(guò)程中，沉淀硬化馬氏體不銹鋼加工部件要承受復(fù)雜交變應(yīng)力作用，同時(shí)伴隨有高溫氣體、液體，甚至是固體顆粒的高速?zèng)_刷，易產(chǎn)生表面磨損、腐蝕和整體疲勞強(qiáng)度降低等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致葉片斷裂和機(jī)組失效等運(yùn)行事故。通常情況下，沉淀硬化馬氏體不銹鋼零件的失效現(xiàn)象均起因于材料表面性能薄弱環(huán)節(jié)，因此從安全運(yùn)行和提高生產(chǎn)效益這兩方面考慮，提高沉淀硬化馬氏體不銹鋼材料的表面性能至關(guān)重要。利用激光熔覆技術(shù)實(shí)現(xiàn)沉淀硬化馬氏體不銹鋼材料的表面強(qiáng)化已取得了一定的應(yīng)用效果。但是，由于激光加工過(guò)程在大氣條件下進(jìn)行，必須采用輔助氣體來(lái)隔絕空氣，否則工件表面會(huì)產(chǎn)生氧化和燒蝕現(xiàn)象。另外，激光的能量透入深度小，再加上處理表面對(duì)入射激光的反射作用，使得激光的總體能量轉(zhuǎn)換效率較低。因此，需要開(kāi)發(fā)出更為有效的沉淀硬化馬氏體不銹鋼的表面改性方法，以提高其使用性能。強(qiáng)流脈沖電子束(HCPEB)作為一種新型荷電粒子束技術(shù)，近年來(lái)得到迅速發(fā)展。相比于激光束和離子束等表面改性技術(shù)，電子束的射程更深，能量注入密度更高，處理工件表層(10_5-10_6 m)產(chǎn)生快速加熱(IO9 K/s)和冷卻(IO7-1O8 K/m)過(guò)程，引發(fā)劇烈的熱力耦合作用，可形成結(jié)構(gòu)致密、成分均勻的非平衡顯微組織和梯度應(yīng)力分布狀態(tài)，表面改性效果更為顯著。此外，強(qiáng)流脈沖電子束表面處理工藝還具有工件變形小，能量轉(zhuǎn)換率高，無(wú)環(huán)境污染和自動(dòng)化控制程度高等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)沉淀硬化馬氏體不銹鋼在工作環(huán)境中所存在的不足，本發(fā)明提出一種沉淀硬化馬氏體不銹鋼表面合金化的處理方法，利用強(qiáng)流脈沖電子束輻照熔化預(yù)先涂覆于沉淀硬化馬氏體不銹鋼表面的碳、鋁混合粉末，實(shí)現(xiàn)鋼材表層的碳、鋁元素過(guò)飽和固溶并引入壓應(yīng)力狀態(tài)，合金層與基體間形成良好冶金結(jié)合，可有效提高沉淀硬化馬氏體不銹鋼的表面耐磨損、耐腐蝕和疲勞力學(xué)性能。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的具體技術(shù)方案是:一種沉淀硬化馬氏體不銹鋼表面合金化的處理方法，其步驟為:(I)對(duì)沉淀硬化馬氏體不銹鋼工件表面進(jìn)行打磨、拋光和清洗；將稱重后的納米碳粉和鋁粉(重量比1:1)混合，然后在無(wú)水乙醇+5%聚乙烯醇混合液中稀釋并攪拌均勻，獲得涂覆液供表面涂覆使用；然后利用氣壓噴槍將涂覆液均勻噴涂在沉淀硬化馬氏體不銹鋼工件表面，將其烘干，涂覆層厚度Γ5微米；
(2)將烘干后的工件放入強(qiáng)流脈沖電子束裝置中，抽真空到預(yù)定工作值。根據(jù)具體要求，設(shè)定工作距離，選擇強(qiáng)流脈沖電子束能量密度為f lOJ/cm2，脈沖寬度為f 20 μ S，對(duì)涂覆表面進(jìn)行輻照處理；處理完畢，打開(kāi)真空室，取出工件，檢試工藝效果。 相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明沉淀硬化馬氏體不銹鋼表面合金化的處理方法具有以下有益效果:1、強(qiáng)流脈沖電子束作用于材料表面，所形成的急熱驟冷過(guò)程可使涂覆合金重熔化合，生成的表面合金層具有成分均勻和非平衡固溶特質(zhì)。2、沉淀硬化馬氏體不銹鋼表層形成碳、鋁元素過(guò)飽和固溶，并呈表面壓應(yīng)力分布狀態(tài)，可有效提高工件表面的耐磨損、耐腐蝕和疲勞力學(xué)性能，合金層與基體間具有良好的冶金結(jié)合O3、沉淀硬化馬氏體不銹鋼表面合金化處理過(guò)程在真空環(huán)境中進(jìn)行，合金元素利用率高，合金化層成分潔凈，同時(shí)不會(huì)造成環(huán)境污染問(wèn)題。


圖1為工業(yè)沉淀硬化馬氏體不銹鋼FV520B樣品經(jīng)碳、鋁元素表面合金化處理后的表面形貌照片，強(qiáng)流脈沖電子束處理參數(shù)為:能量密度6J/cm2，工作距離為10cm，脈沖寬度5 μ S，脈沖處理3次。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明沉淀硬化馬氏體不銹鋼表面合金化的處理方法，具體實(shí)施步驟如下:(I)對(duì)沉淀硬化馬氏體不銹鋼工件表面進(jìn)行打磨、拋光和超聲清洗；(2)選用的納米碳粉平均粒度為20nm，鋁粉平均粒度為80 nm，將碳粉和鋁粉按I: I稱重混合，然后在無(wú)水乙醇+5%聚乙烯醇混合液中攪拌均勻；(3)將涂覆液倒入噴壺內(nèi)，連接空氣壓縮機(jī)，調(diào)節(jié)噴槍噴幅，在工件表面反復(fù)均勻噴涂。根據(jù)涂覆層厚度控制要求，噴涂的時(shí)間可分別設(shè)定為2分鐘、4分鐘、6分鐘、8分鐘，分別獲得層厚 1μm、2μmι、3μmι、4μm;(4)使用吹風(fēng)機(jī)烘干，待工件表面涂覆層完全干燥后，放入HOPE-1型強(qiáng)流脈沖電子束裝置中，抽真空到預(yù)定值，設(shè)定工作距離，選擇強(qiáng)流脈沖電子束能量密度為flOJ/cm2，脈沖寬度為廣20 μ S，對(duì)涂覆表面進(jìn)行輻照處理；(5)處理完畢，打開(kāi)真空室，取出處理工件，檢試工藝效果。實(shí)施例:將工業(yè)沉淀硬化馬氏體不銹鋼FV520B棒材線切割成Φ 12mmX 5mm的薄片，表面用1000#砂紙磨光，放入乙醇溶液中進(jìn)行超聲清洗并吹干。取納米碳粉(平均粒度為20nm)和鋁粉(平均粒度為80 nm)各50g，在無(wú)水乙醇+5%聚乙烯醇混合液中攪拌均勻。把涂覆液倒入氣壓噴槍的噴壺內(nèi)，接通空氣壓縮機(jī)，調(diào)節(jié)噴槍噴幅，在沉淀硬化馬氏體不銹鋼FV520B樣品表面上進(jìn)行均勻噴涂，噴涂時(shí)間4分鐘，表面涂覆層厚為2 μ m。使用吹風(fēng)機(jī)烘干，待表面涂覆層完全干燥后固定于HOPE-1型強(qiáng)流脈沖電子束裝置的工作臺(tái)上，抽真空至
6.0X 10_3Pa。操作強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理樣品表面，處理參數(shù)為:能量密度6J/cm2，工作距離為10cm，脈沖寬度5 μ S，脈沖處理3次。如圖1所示，沉淀硬化馬氏體不銹鋼FV520B樣品表面形成完整的碳、鋁合金化層，且與基體形成良好的冶金結(jié)合。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，經(jīng)強(qiáng)流脈沖電子束表面碳、鋁元素合金化處理樣品的耐磨、耐蝕及疲勞力學(xué)性能均優(yōu)于未處理的沉淀硬化馬氏體不銹·鋼FV520B基材。
權(quán)利要求
1.一種沉淀硬化馬氏體不銹鋼表面合金化的處理方法，利用強(qiáng)流脈沖電子束輻照熔化預(yù)先涂覆于沉淀硬化馬氏體不銹鋼表面的碳、鋁混合粉末，實(shí)現(xiàn)鋼材表層的碳、鋁元素過(guò)飽和固溶并引入壓應(yīng)力狀態(tài)，合金層與基體間形成良好冶金結(jié)合，提高沉淀硬化馬氏體不銹鋼的表面耐磨損、耐腐蝕和疲勞力學(xué)性能；其特征包括步驟如下: (1)對(duì)沉淀硬化馬氏體不銹鋼工件表面進(jìn)行打磨、拋光和清洗處理；將納米碳粉和鋁粉在無(wú)水乙醇+5%聚乙烯醇混合液中稀釋均勻，獲得涂覆液供表面涂覆使用；然后利用氣壓噴槍將涂覆液均勻噴涂在處理后的沉淀硬化馬氏體不銹鋼工件表面，將其烘干； (2)將烘干后的工件放入強(qiáng)流脈沖電子束裝置中，抽真空；根據(jù)具體要求，設(shè)定工作距離，選擇強(qiáng)流脈沖電子束能量密度為f lOJ/cm2，脈沖寬度為f 20 μ S，完成涂覆表面的輻照處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理方法，其特征在于:表面涂覆材料納米碳粉和鋁粉混合粉末重量比為1:1，涂覆層 厚度為I飛微米。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種沉淀硬化馬氏體不銹鋼表面合金化的處理方法，利用強(qiáng)流脈沖電子束輻照熔化預(yù)先涂覆于沉淀硬化馬氏體不銹鋼表面的碳、鋁混合粉末，實(shí)現(xiàn)鋼材表層的碳、鋁元素過(guò)飽和固溶，并引入壓應(yīng)力狀態(tài)，合金層與基體間形成良好冶金結(jié)合，可有效提高沉淀硬化馬氏體不銹鋼的表面耐磨損、耐腐蝕和疲勞力學(xué)性能。本發(fā)明的表面合金化處理方法在真空環(huán)境中進(jìn)行，合金元素利用率高，合金化層成分潔凈，同時(shí)不會(huì)造成環(huán)境污染問(wèn)題。本發(fā)明的實(shí)施過(guò)程具有操作簡(jiǎn)單、低投資、低能耗和自動(dòng)化控制程度高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C23C24/10GK103074626SQ20131002049
公開(kāi)日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月18日
發(fā)明者郝勝智, 韓丹, 王慧慧, 趙麗敏 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)