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
技術領域：
本發明屬于材料表面改性技術領域，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：
沉淀硬化馬氏體不銹鋼，易于加工、強度高、韌性好，已被廣泛應用于航空、航天和民用動力機械等領域的一些關鍵零部件的生產，如輪機轉子、渦輪盤、葉片和動密封環等。在實際使用過程中，沉淀硬化馬氏體不銹鋼加工部件要承受復雜交變應力作用，同時伴隨有高溫氣體、液體，甚至是固體顆粒的高速沖刷，易產生表面磨損、腐蝕和整體疲勞強度降低等問題，嚴重時會導致葉片斷裂和機組失效等運行事故。通常情況下，沉淀硬化馬氏體不銹鋼零件的失效現象均起因于材料表面性能薄弱環節，因此從安全運行和提高生產效益這兩方面考慮，提高沉淀硬化馬氏體不銹鋼材料的表面性能至關重要。利用激光熔覆技術實現沉淀硬化馬氏體不銹鋼材料的表面強化已取得了一定的應用效果。但是，由于激光加工過程在大氣條件下進行，必須采用輔助氣體來隔絕空氣，否則工件表面會產生氧化和燒蝕現象。另外，激光的能量透入深度小，再加上處理表面對入射激光的反射作用，使得激光的總體能量轉換效率較低。因此，需要開發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。強流脈沖電子束(HCPEB)作為一種新型荷電粒子束技術，近年來得到迅速發展。相比于激光束和離子束等表面改性技術，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)產生快速加熱(IO9 K/s)和冷卻(IO7-1O8 K/m)過程，引發劇烈的熱力耦合作用，可形成結構致密、成分均勻的非平衡顯微組織和梯度應力分布狀態，表面改性效果更為顯著。此外，強流脈沖電子束表面處理工藝還具有工件變形小，能量轉換率高，無環境污染和自動化控制程度高等技術優勢。

發明內容
針對沉淀硬化馬氏體不銹鋼在工作環境中所存在的不足，本發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，利用強流脈沖電子束輻照熔化預先涂覆于沉淀硬化馬氏體不銹鋼表面的碳、鋁混合粉末，實現鋼材表層的碳、鋁元素過飽和固溶并引入壓應力狀態，合金層與基體間形成良好冶金結合，可有效提高沉淀硬化馬氏體不銹鋼的表面耐磨損、耐腐蝕和疲勞力學性能。為了實現上述目的，本發明采取的具體技術方案是: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)對沉淀硬化馬氏體不銹鋼工件表面進行打磨、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流脈沖電子束裝置中，抽真空到預定工作值。根據具體要求，設定工作距離，選擇強流脈沖電子束能量密度為f lOJ/cm2，脈沖寬度為f 20 μ S，對涂覆表面進行輻照處理；處理完畢，打開真空室，取出工件，檢試工藝效果。 相對于現有技術，本發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、強流脈沖電子束作用于材料表面，所形成的急熱驟冷過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。2、沉淀硬化馬氏體不銹鋼表層形成碳、鋁元素過飽和固溶，并呈表面壓應力分布狀態，可有效提高工件表面的耐磨損、耐腐蝕和疲勞力學性能，合金層與基體間具有良好的冶金結合O3、沉淀硬化馬氏體不銹鋼表面合金化處理過程在真空環境中進行，合金元素利用率高，合金化層成分潔凈，同時不會造成環境污染問題。


圖1為工業沉淀硬化馬氏體不銹鋼FV520B樣品經碳、鋁元素表面合金化處理后的表面形貌照片，強流脈沖電子束處理參數為: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。
具體實施例方式本發明沉淀硬化馬氏體不銹鋼表面合金化的處理方法，具體實施步驟如下:(I)對沉淀硬化馬氏體不銹鋼工件表面進行打磨、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，連接空氣壓縮機，調節噴槍噴幅，在工件表面反復均勻噴涂。根據涂覆層厚度控制要求，噴涂的時間可分別設定為2分鐘、4分鐘、6分鐘、8分鐘，分別獲得層厚 1μm、2μmι、3μmι、4μm;(4)使用吹風機烘干，待工件表面涂覆層完全干燥后，放入HOPE-1型強流脈沖電子束裝置中，抽真空到預定值，設定工作距離，選擇強流脈沖電子束能量密度為flOJ/cm2，脈沖寬度為廣20 μ S，對涂覆表面進行輻照處理；(5)處理完畢，打開真空室，取出處理工件，檢試工藝效果。實施例:將工業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，接通空氣壓縮機，調節噴槍噴幅，在沉淀硬化馬氏體不銹鋼FV520B樣品表面上進行均勻噴涂，噴涂時間4分鐘，表面涂覆層厚為2 μ m。使用吹風機烘干，待表面涂覆層完全干燥后固定于HOPE-1型強流脈沖電子束裝置的工作臺上，抽真空至
6.0X 10_3Pa。操作強流脈沖電子束輻照處理樣品表面，處理參數為: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合。實驗測試表明，經強流脈沖電子束表面碳、鋁元素合金化處理樣品的耐磨、耐蝕及疲勞力學性能均優于未處理的沉淀硬化馬氏體不銹·鋼FV520B基材。
權利要求
1.一種沉淀硬化馬氏體不銹鋼表面合金化的處理方法，利用強流脈沖電子束輻照熔化預先涂覆于沉淀硬化馬氏體不銹鋼表面的碳、鋁混合粉末，實現鋼材表層的碳、鋁元素過飽和固溶并引入壓應力狀態，合金層與基體間形成良好冶金結合，提高沉淀硬化馬氏體不銹鋼的表面耐磨損、耐腐蝕和疲勞力學性能；其特征包括步驟如下: (1)對沉淀硬化馬氏體不銹鋼工件表面進行打磨、拋光和清洗處理；將納米碳粉和鋁粉在無水乙醇+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流脈沖電子束裝置中，抽真空；根據具體要求，設定工作距離，選擇強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.根據權利要求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
本發明公開了一種沉淀硬化馬氏體不銹鋼表面合金化的處理方法，利用強流脈沖電子束輻照熔化預先涂覆于沉淀硬化馬氏體不銹鋼表面的碳、鋁混合粉末，實現鋼材表層的碳、鋁元素過飽和固溶，并引入壓應力狀態，合金層與基體間形成良好冶金結合，可有效提高沉淀硬化馬氏體不銹鋼的表面耐磨損、耐腐蝕和疲勞力學性能。本發明的表面合金化處理方法在真空環境中進行，合金元素利用率高，合金化層成分潔凈，同時不會造成環境污染問題。本發明的實施過程具有操作簡單、低投資、低能耗和自動化控制程度高等優點。
文檔編號C23C24/10GK103074626SQ20131002049
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月18日 優先權日2013年1月18日
發明者郝勝智, 韓丹, 王慧慧, 趙麗敏 申請人:大連理工大學