专利名称：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的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种沉淀硬化不锈钢材料，尤其涉及一种表面经激光合金化的沉淀硬化不锈钢材料及其制备工艺和应用。
背景技术：
激光合金化是利用激光将基体金属表面熔化，同时加入合金元素，以基体为溶剂，合金元素为溶质，基体上构成一层浓度相当高且相当均匀的合金层，从而达到所要求的耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化等特殊性能。利用激光表面合金化工艺可在一些表面性能差、价格便宜的基体金属表面制备出耐磨、耐蚀、耐高温的表面合金，用于取代昂贵的整体合金，节约贵重金属材料和战略材料，使廉价合金获得更广泛的应用，从而大幅度降低成本。
1964年，F.E.Cumningham首先采用红宝石激光器开发了激光合金化技术，从此，伴随激光器件的性能完善和大功率激光器的开发，激光表面合金化技术得到了迅速发展，尤其是80年代以来，欧美各国对激光表面合金化技术寄予了很大的期望，投入了大量的人力、物力和财力，进行了较为广泛的研究。在我国，近几年来激光表面合金化的研究工作也十分活跃。为了这项技术的全面发展，人们在基体金属材料的选择和合金化元素的配比方面已进行了大量深入而广泛的研究。基材不仅涉及到碳钢、合金钢、高速钢、不锈钢、模具钢和铸铁等钢铁材料，而且还涉及到Al、Ti、Ni、Cu、Mg及其合金等有色金属材料，以及它们的碳化物、氧化物、氮化物和硼化物等。
17-4PH不锈钢材料是一种综合性能优良的沉淀硬化不锈钢材料，但在汽轮机叶片上的应用时，其表面硬度、抗冲蚀性能均不够。现有技术中还未有对此类沉淀硬化不锈钢材料激光表面合金化技术的任何报道。
发明内容
为了解决17-4PH不锈钢材料表面硬度不高，抗冲蚀性能差的技术缺陷，本发明的一个目的是提供一种能极大的提高沉淀硬化不锈钢表面硬度的同时，又能保持基体原先的各项优良指标的沉淀硬化不锈钢材料，大大拓宽了沉淀硬化不锈钢材料的使用范围。
本发明的另外一个目的是提供上述的沉淀硬化不锈钢材料的制备方法。
为了实现本发明的第一个目的，本发明采用了以下的技术方案一种表面激光合金化的沉淀硬化不锈钢，由沉淀硬化不锈钢基体和合金化涂覆层组成，所述的合金涂覆层由含有W、Co、Cr、Ni合金粉的涂料经激光合金化工艺处理得到。
作为优选方案所述的合金粉中W、Co、Cr、Ni的重量百分比为W 50～60％、Co 15～20％、Cr 15～20％、Ni 7～10％。
作为优选方案所述的合金粉中还包括Fe 0.5～2％、Si 1.2～1.5％。
作为优选方案表面合金化层的厚度为40～80μm。
作为优选方案所述的沉淀硬化不锈钢基体为17-4PH不锈钢材料。
为了实现本发明的第二个目的，本发明采用了以下的技术方案上述各方案所述的一种表面激光合金化的沉淀硬化不锈钢的制备工艺，该工艺包括以下的工艺步骤1)用清洗剂清洗沉淀硬化不锈钢的待处理表面，干燥；2)涂覆一层含有W、Co、Cr、Ni合金粉的涂料，形成预涂覆层；3)预涂覆层干燥后，用功率密度为103～104W/cm2，扫描速度为5～10mm/s的激光束进行处理，同时用惰性气体保护处理区，在沉淀硬化不锈钢表面形成合金化涂覆层。
作为优选方案上述的步骤2)所述预涂覆层的厚度为0.1～0.5mm。
作为优选方案上述的步骤1)所述的清洗剂为纯度为98％的丙酮，清洗需重复两次。
作为优选方案所述的沉淀硬化不锈钢基体为17-4PH不锈钢材料，上述的步骤3)中所用激光器为CO2激光器，其波长为10.6μm，激光的功率密度为103～104W/cm2，扫描速度为5～10mm/s，离焦量为0，光斑尺寸为(10～16)×2mm2，光束竖直照射处理表面。
本发明的优点在于在不影响沉淀硬化不锈钢基体性能的前提下，在沉淀硬化不锈钢表面获得了高硬度的合金涂覆层，且此合金层表面质量好，无裂纹，成形好，无需后处理。合金层的表面硬度最高达到HV0.21160，平均硬度可达HV0.2800，硬化层深约为50μm。用本发明的工艺处理后的工件无需后处理，且实现该工艺相对方便，容易推广，可实现高效率、大规模的批量应用。
本发明另外还提供了17-4PH不锈钢材料在制备汽轮机叶片上的应用。由于采用了上述的技术方案，彻底解决了17-4PH不锈钢表面硬度不高的缺点，大大拓宽了此类沉淀硬化型不锈钢的使用范围，特别是在制备汽轮机叶片上，提高叶片进气边的抗冲蚀性能，大大提高该叶片的工作寿命，对提高整个汽轮机组的安全性，延长大修期具有十分积极的作用。
图1为本发明激光合金化处理示意图。
具体实施例方式
实施例一下面结合图1对本发明实施例作一详细说明1为激光束，2为保护气体，3为工件，4为激光束运动方向。工件材料为17-4PH不锈钢，经过固溶(1020～1060℃)和时效(500～580℃)处理，为一种综合性能优良的沉淀硬化不锈钢。表面经98％的丙酮清洗2次后，预涂覆一层宽度为16mm、厚度为0.4mm的合金涂层，合金涂层中含有W 52％、Co 18％、Cr 20％、Ni 8％、Fe 1％、Si 1％，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，功率密度为7.8×103W/cm2，激光竖直照射于工件表面。其中光斑的尺寸为16×2mm，离焦量为0。处理时，工件保持静止，激光束以9mm/s的速度运动，保护气体在运动方向的前端，与光束呈30°送入。
按照此工艺进行处理后的17-4PH不锈钢，表面获得了一层硬度极高的合金层，其硬度较之基体明显提高，合金化层的厚度为50μm，无裂纹、气孔等缺陷，且表面质量优良。合金层为晶粒极细的非平衡组织，且与基体表面形成理想的冶金结合。
本发明可使17-4PH不锈钢达到原先热处理工艺所无法达到的高表面硬度，且不影响基体的各项机械性能。工艺简便易于控制，可适应于加工不同形状、不同厚度和需要不同性能的工件。
实施例二在材质为17-4PH，原始硬度为HV0.2380的QD238叶片背弧侧清洗并涂覆一层宽度为18mm、厚度为0.5mm的合金涂层，合金涂层中含有W 56％、Co 20％、Cr 15％、Ni 7％、Fe 0.8％、Si 1.2％。按叶片型线编程，其激光处理工艺参数为功率密度8.3×103W/cm2，V＝8mm/s，光斑尺寸为12×2mm；经激光处理后分取5点获得硬度为HV0.2882，898，995，876，781，合金化层深为60μm的合金化层。经该方法处理的叶片，经装机使用，结果表明其抗水汽蚀性能明显提高，且安全可靠。
权利要求
1.一种表面激光合金化的沉淀硬化不锈钢，其特征在于由沉淀硬化不锈钢基体和合金化涂覆层组成，所述的合金涂覆层由含有W、Co、Cr、Ni合金粉的涂料经激光合金化工艺处理得到。
2.根据权利要求1所述的一种表面激光合金化的沉淀硬化不锈钢，其特征在于所述的合金粉中W、Co、Cr、Ni的重量百分比为W 50～60％、Co 15～20％、Cr 15～20％、Ni 7～10％。
3.根据权利要求2所述的一种表面激光合金化的沉淀硬化不锈钢，其特征在于所述的合金粉中还包括Fe 0.5～2％、Si 1.2～1.5％。
4.根据权利要求1所述的一种表面激光合金化的沉淀硬化不锈钢，其特征在于表面合金化层的厚度为40～80μm。
5.根据权利要求1～4任意一权利要求所述的一种表面激光合金化的沉淀硬化不锈钢，其特征在于所述的沉淀硬化不锈钢基体为17-4PH不锈钢材料。
6.根据权利要求5所述的一种表面激光合金化的沉淀硬化不锈钢在制备汽轮机叶片上的应用。
7.根据权利要求1～4任意一权利要求所述的一种表面激光合金化的沉淀硬化不锈钢的制备工艺，其特征在于该工艺包括以下的工艺步骤1)用清洗剂清洗沉淀硬化不锈钢的待处理表面，干燥；2)涂覆一层含有W、Co、Cr、Ni合金粉的涂料，形成预涂覆层；3)预涂覆层干燥后，用功率密度为103～104W/cm2，扫描速度为5～10mm/s的激光束进行处理，同时用惰性气体保护处理区，在沉淀硬化不锈钢表面形成合金化涂覆层。
8.根据权利要求7所述的一种表面激光合金化的沉淀硬化不锈钢的制备工艺，其特征在于步骤2)所述预涂覆层的厚度为0.1～0.5mm。
9.根据权利要求7所述的一种表面激光合金化的沉淀硬化不锈钢的制备工艺，其特征在于步骤1)所述的清洗剂为纯度为98％的丙酮，清洗需重复两次。
10.根据权利要求7所述的一种表面激光合金化的沉淀硬化不锈钢的制备工艺，其特征在于所述的沉淀硬化不锈钢为17-4PH不锈钢材料，上述的步骤3)中所用激光器为CO2激光器，其波长为10.6μm，激光的功率密度为103～104W/cm2，扫描速度为5～10mm/s，离焦量为0，光斑尺寸为(10～16)×2mm2，光束竖直照射处理表面。
全文摘要
本发明涉及一种沉淀硬化不锈钢材料，尤其涉及一种表面经激光合金化的沉淀硬化不锈钢材料及其制备工艺和应用。一种表面激光合金化的沉淀硬化不锈钢，由沉淀硬化不锈钢基体和合金化涂覆层组成，所述的合金涂覆层由含有W、Co、Cr、Ni合金粉的涂料经激光合金化工艺处理得到。本发明另外还提供了该不锈钢的制备方法和用途。本发明彻底解决了这种不锈钢的表面硬度相对较低的缺点，经过本发明的工艺处理后的沉淀硬化不锈钢，既保留了原先优良的综合机械性能，又具有极高的表面硬度，使此类不锈钢的应用范围大大扩展，其中17－4PH不锈钢尤其适用于制备汽轮机叶片。
文档编号C21D1/09GK1912182SQ200610052899
公开日2007年2月14日 申请日期2006年8月11日 优先权日2006年8月11日
发明者姚建华, 楼程华 申请人:杭州博华激光技术有限公司