[发明专利]一种沉淀硬化马氏体不锈钢表面合金化的处理方法

说明书

技术领域

本发明属于材料表面改性技术领域，涉及到一种沉淀硬化马氏体不锈钢表面合金化的处理方法。

背景技术

沉淀硬化马氏体不锈钢，易于加工、强度高、韧性好，已被广泛应用于航空、航天和民用动力机械等领域的一些关键零部件的生产，如轮机转子、涡轮盘、叶片和动密封环等。在实际使用过程中，沉淀硬化马氏体不锈钢加工部件要承受复杂交变应力作用，同时伴随有高温气体、液体，甚至是固体颗粒的高速冲刷，易产生表面磨损、腐蚀和整体疲劳强度降低等问题，严重时会导致叶片断裂和机组失效等运行事故。通常情况下，沉淀硬化马氏体不锈钢零件的失效现象均起因于材料表面性能薄弱环节，因此从安全运行和提高生产效益这两方面考虑，提高沉淀硬化马氏体不锈钢材料的表面性能至关重要。

利用激光熔覆技术实现沉淀硬化马氏体不锈钢材料的表面强化已取得了一定的应用效果。但是，由于激光加工过程在大气条件下进行，必须采用辅助气体来隔绝空气，否则工件表面会产生氧化和烧蚀现象。另外，激光的能量透入深度小，再加上处理表面对入射激光的反射作用，使得激光的总体能量转换效率较低。因此，需要开发出更为有效的沉淀硬化马氏体不锈钢的表面改性方法，以提高其使用性能。

强流脉冲电子束（HCPEB）作为一种新型荷电粒子束技术，近年来得到迅速发展。相比于激光束和离子束等表面改性技术，电子束的射程更深，能量注入密度更高，处理工件表层（10^-5-10^-6 m）产生快速加热（10⁹ K/s）和冷却（10⁷-10⁸ K/m）过程，引发剧烈的热力耦合作用，可形成结构致密、成分均匀的非平衡显微组织和梯度应力分布状态，表面改性效果更为显著。此外，强流脉冲电子束表面处理工艺还具有工件变形小，能量转换率高，无环境污染和自动化控制程度高等技术优势。

发明内容

针对沉淀硬化马氏体不锈钢在工作环境中所存在的不足，本发明提出一种沉淀硬化马氏体不锈钢表面合金化的处理方法，利用强流脉冲电子束辐照熔化预先涂覆于沉淀硬化马氏体不锈钢表面的碳、铝混合粉末，实现钢材表层的碳、铝元素过饱和固溶并引入压应力状态，合金层与基体间形成良好冶金结合，可有效提高沉淀硬化马氏体不锈钢的表面耐磨损、耐腐蚀和疲劳力学性能。

为了实现上述目的，本发明采取的具体技术方案是：

一种沉淀硬化马氏体不锈钢表面合金化的处理方法，其步骤为：

（1）对沉淀硬化马氏体不锈钢工件表面进行打磨、抛光和清洗；将称重后的纳米碳粉和铝粉（重量比1:1）混合，然后在无水乙醇+5%聚乙烯醇混合液中稀释并搅拌均匀，获得涂覆液供表面涂覆使用；然后利用气压喷枪将涂覆液均匀喷涂在沉淀硬化马氏体不锈钢工件表面，将其烘干，涂覆层厚度1~5微米； 

（2）将烘干后的工件放入强流脉冲电子束装置中，抽真空到预定工作值。根据具体要求，设定工作距离，选择强流脉冲电子束能量密度为1~10J/cm²，脉冲宽度为1~20μs，对涂覆表面进行辐照处理；处理完毕，打开真空室，取出工件，检试工艺效果。

相对于现有技术，本发明沉淀硬化马氏体不锈钢表面合金化的处理方法具有以下有益效果：

1、强流脉冲电子束作用于材料表面，所形成的急热骤冷过程可使涂覆合金重熔化合，生成的表面合金层具有成分均匀和非平衡固溶特质。

2、沉淀硬化马氏体不锈钢表层形成碳、铝元素过饱和固溶，并呈表面压应力分布状态，可有效提高工件表面的耐磨损、耐腐蚀和疲劳力学性能，合金层与基体间具有良好的冶金结合。

3、沉淀硬化马氏体不锈钢表面合金化处理过程在真空环境中进行，合金元素利用率高，合金化层成分洁净，同时不会造成环境污染问题。

附图说明

图1为工业沉淀硬化马氏体不锈钢FV520B样品经碳、铝元素表面合金化处理后的表面形貌照片，强流脉冲电子束处理参数为：能量密度6J/cm²，工作距离为10cm，脉冲宽度5μs，脉冲处理3次。

具体实施方式

本发明沉淀硬化马氏体不锈钢表面合金化的处理方法，具体实施步骤如下：

（1）对沉淀硬化马氏体不锈钢工件表面进行打磨、抛光和超声清洗；

（2）选用的纳米碳粉平均粒度为20nm，铝粉平均粒度为80 nm，将碳粉和铝粉按1:1称重混合，然后在无水乙醇+5%聚乙烯醇混合液中搅拌均匀；