专利名称：控制奥氏体不锈钢晶界特征的方法
控制奥氏体不锈钢晶界特征的方法技术领域
本发明属于控制奥氏体不锈钢表层组织技术，特别是一种控制奥氏体不锈钢晶界 特征的方法。
背景技术：
造成奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能低下的一个主要因素是奥氏体不锈钢极易敏 化。而敏化将导致材料晶间腐蚀和晶间应力腐蚀的出现，最终导致构件的失效。晶界作为 多晶材料的一个重要的结构特征对材料的性能有重要的影响。研究发现许多现象(晶界扩 散、析出、腐蚀)与晶界的结构密切相关。低能CSL晶界(特别是Σ 3)显现了对滑移、断裂、 腐蚀和应力腐蚀裂纹、敏化和溶质偏析(平衡和非平衡)强烈的抑制作用，有的甚至是完全 免疫的。低能CSL晶界在多晶材料中普遍存在，它的出现频率与材料的制备过程(例如铸 造、变形、再结晶和热处理)密切相关。而自由晶界(Σ>四)由于具有高的能量和高的移 动性，常成为裂纹生长的核心和裂纹扩展的通道，从而导致晶间腐蚀裂纹和晶间应力腐蚀 裂纹的出现。日本东北大学材料系渡边忠雄教授在1984年提出了“晶界设计和控制”的概 念。通过对晶界类型的设计和分布的控制，来对材料的性能，例如强度、韧性及耐腐蚀性能， 进行优化和提高。随后加拿大材料科学家将此概念演绎为“晶界工程”。所谓的晶界工程 (Grain Boundary Engineering)就是通过一定的热机械加工方法，来控制材料的晶界分布 特征，特别是提高特殊晶界的比率，并使连续的自由晶界弥散化，从而达到控制和优化材料 性能的目的。
目前，几乎所有研究者采用的都是预应变一退火或预应变一再结晶的热机械加工 方法，而应变都是通过冷轧的方式引入。一方面该方法只适用于平板件，而对于不规则形状 件以及零部件的修复并不适用。另外，该方法常需要在较高的温度下长时间地进行退火处 理(大于 72 小时)，极大地增加 了能耗(Shimada M, Kokawa H, Wang ZJ, Sato YS, Karibe I， Acta Mater 2002， 50: 2331.)。
激光是一种可控性极强的高能密度热源，它为材料的加工和处理提供了其它常规 手段无法实现的极端条件。与传统的表面强化工艺相比，激光表面处理具有易于控制、柔性 高、无污染、原位作用等特点，因而自从其诞生以来被广泛用于材料的表面改性。激光冲击 强化是利用高功率(109W/cm2)短脉冲(ns级)的激光辐射金属材料表面，使金属表面极薄层 的金属汽化后形成高温高压的等离子体，等离子体急剧膨胀爆炸产生冲击波冲击材料表面 使其发生塑性变形，在表面形成残余压应力，应力/应变层厚度可达1mm。该技术已经被广 泛用于提高材料的硬度、疲劳强度和耐磨损性能，但已有报道都是从激光冲击引起材料表 层应力分布变化以及使材料晶粒细化的角度进行的，尚无采用激光冲击结合高温热处理控 制材料晶界特征分布的报道。发明内容
本发明的目的在于提供一种控制奥氏体晶界特征分布的方法，从而提高奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能，并能对奥氏体不锈钢构件进行原位修复。
实现本发明目的的技术解决方案为一种控制奥氏体不锈钢晶界特征的方法，首 先对奥氏体不锈钢进行预处理，将奥氏体不锈钢板切割为40 X 40mm的方块，并用砂纸逐级 打磨到800 # ；然后将预处理好的材料置于激光加工工作台，调整激光器输出功率、脉宽、 光斑大小和搭接率，对材料表面进行激光冲击处理；最后将激光冲击处理过的材料置于热 处理炉中，保温后取出水淬，从而控制了奥氏体不锈钢的晶界特征。
本发明与现有技术相比，其显著优点能够提高奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能，并 能对奥氏体不锈钢构件进行原位修复。将经过本发明处理的材料制成标准金相试样，打磨、 抛光、电解腐蚀后利用背散射衍射技术测试材料的晶界特征分布，组织中特殊晶界的比率 可以达到74%以上；在相同的敏化条件下，材料的耐腐蚀性能较原材料提高约2 — 3倍。图 1 (a)所示为原材料组织中晶界特征分布情况，其中特殊晶界四)的比率为54. 5%, 图1 (b)所示为经过上述方法处理的材料组织中晶界特征分布情况，其中特殊晶界的比率 为78. 4%，图中黑色线条代表高能自由晶界，灰色线条代表低能Σ CSL晶界。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1是奥氏体不锈钢晶界特征分布示意图(a)处理前(b)处理后。
具体实施方式
本发明是立足于晶界工程的概念，通过激光冲击来引入应变，通过后续的高温热 处理来调控材料表层的晶界特征分布，从而使奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能得以提高，即对 奥氏体不锈钢板进行预处理，将奥氏体不锈钢板切割为40X40mm的方块，并用砂纸逐级打 磨到800 #。将预处理好的材料置于激光加工工作台，调整激光器输出功率、脉宽、光斑大 小和搭接率，对材料表面进行激光冲击处理，具体工艺参数见表1。将激光冲击处理过的材 料置于热处理炉中，在900 - 1000°C保温2 - 24小时后取出水淬。
在以下实施例和对比例中，用特殊晶界百分数(％)来表示材料晶界特征分布的优 化效果，值越高说明晶界优化效果越好；用再活化电流比率(％)和腐蚀速度QXnT2Xtr1) 分别来表示材料的耐腐蚀性，再活化电流比率越低，腐蚀速度值越小，说明材料的耐腐蚀性 越好。
实施例1利用调Q钕玻璃激光器对奥氏体不锈钢进行表面冲击处理，具体工艺参数见表1。随 后，在927°C，947°C和967°C下分别对被冲击试样进行M小时的退火处理，可使处理层低能 CSL(重位点阵)晶界四)的比率达到74%以上，具体测试结果见表2。权利要求
1.一种控制奥氏体不锈钢晶界特征的方法，其特征在于首先对奥氏体不锈钢进行预处 理，将奥氏体不锈钢板切割为40 X 40mm的方块，并用砂纸逐级打磨到800 # ；然后将预处理 好的材料置于激光加工工作台，调整激光器输出功率、脉宽、光斑大小和搭接率，对材料表 面进行激光冲击处理；最后将激光冲击处理过的材料置于热处理炉中，保温后取出水淬，从 而控制了奥氏体不锈钢的晶界特征。
2.根据权利要求1所述的控制奥氏体不锈钢晶界特征的方法，其特征在于调整激光器 的工艺参数如表1 表1脉宽输出功率 光斑直径搭接率
3.根据权利要求1所述的控制奥氏体不锈钢晶界特征的方法，其特征在于在热处理 时，在900 - 1000°C保温2 — 24小时。
全文摘要
本发明涉及一种控制奥氏体不锈钢晶界特征的方法，首先对奥氏体不锈钢进行预处理，将奥氏体不锈钢板切割为40×40mm的方块，并用砂纸逐级打磨到800号；然后将预处理好的材料置于激光加工工作台，调整激光器输出功率、脉宽、光斑大小和搭接率，对材料表面进行激光冲击处理；最后将激光冲击处理过的材料置于热处理炉中，保温后取出水淬，从而实现对奥氏体不锈钢晶界特征的控制。本发明能够提高奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能，并能对奥氏体不锈钢构件进行原位修复。
文档编号C21D1/09GK102031344SQ20101059407
公开日2011年4月27日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者杨森 申请人:南京理工大学