專利名稱：一種提高高溫條件下材料微動疲勞壽命的強化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料加工處理與金屬構(gòu)件表面強化應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特指一種滲鋁與激
光沖擊復(fù)合處理技術(shù)改善高溫疲勞條件下金屬材料及合金材料的微動疲勞性能，延長工件的疲勞壽命的方法，尤其適用于航空航天、核能、機械制造及石油化工重要熱端零部件表面強化改性。
背景技術(shù)：
近年來，隨著石油、化工、核能及航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，對很多設(shè)備工作環(huán)境的要求越來越苛刻，設(shè)備零件不僅要承受更加復(fù)雜的機械載荷、熱載荷，而且要承受環(huán)境介質(zhì)的氧化和腐蝕作用。 一些高溫材料雖然具有密度小、重量輕、比強度高、耐腐蝕等優(yōu)點，然而其不足的抗氧化能力嚴重限制了其應(yīng)用范圍，因而材料的高溫抗氧化能力還尚需進一步提高。目前，有兩種方法可提高材料的抗氧化能力一種就是通過合金化的方法，另一種就是通過表面改性的方法來提高材料的抗高溫氧化能力。通過合金化方法如加入合金元素Mo、 Ta、 Cr、 Si或W雖然能提高材料的抗氧化能力，但由于合金元素的加入不僅嚴重影響合金的力學(xué)性能，而且還大大地提高了合金的成本。因此，表面改性就成了唯一的而且實際可行的方法來提高材料的抗氧化能力。 目前表面改性處理來提高材料的抗氧化能力的方法很多，如MCrAlY包覆涂層、滲
鋁涂層、硅化物陶瓷涂層、低氧壓下的預(yù)氧化層等。在眾多的涂層中，由于滲鋁工藝方法簡
單，對滲鋁過程對設(shè)備要求不高，因而被廣泛的應(yīng)用。材料滲鋁的目的是為了提高抗氧化和
抗熱腐蝕性能。通過滲鋁在高溫作用下形成連續(xù)致密的A1203， Cr203或混有Si02的保護性
氧化膜，零件表面形成的鋁化物涂層具有很高的熱穩(wěn)定性。高溫材料作為設(shè)備的關(guān)鍵重要
熱端部件，工作時既要承受較高溫度的作用，又要經(jīng)受巨大而復(fù)雜的應(yīng)力作用。所以，不但
要求涂層具有較好的熱穩(wěn)定性，而且要求涂層對基材力學(xué)性能有好的影響。 材料滲鋁后表面形成的鋁化物涂層具有較高的熱穩(wěn)定性及抗氧化性能，表現(xiàn)出優(yōu)
異的熱疲勞性能。但是滲鋁過程中形成的鋁化物涂層硬度較高，粗糙度增加，韌性低，而且
材料在高溫環(huán)境中對微動疲勞損傷十分敏感，因此在以疲勞為主的微動疲勞過程中易發(fā)生
微動疲勞損傷失效，這已直接構(gòu)成影響高溫材料在設(shè)備運行中安全使用的重要因素。 本發(fā)明技術(shù)就是針對滲鋁處理的缺陷，將滲鋁與激光沖擊強化處理這兩種技術(shù)有
效結(jié)合起來，利用它們的優(yōu)點來彌補各自的不足，零件材料經(jīng)過滲鋁處理后再對其表面進
行激光沖擊強化復(fù)合處理，使其表面形成高幅殘余壓應(yīng)力和高的位錯密度，有利于降低表
面摩擦系數(shù)，改善其微動磨損性能，并提高其抗微動疲勞抗力。這樣零件材料同時具有高耐
磨性、抗蝕性、抗高溫氧化性能，從而提高高溫條件下葉片的微動疲勞壽命。 滲鋁復(fù)合處理后，在零件表面形成的鋁化物涂層中產(chǎn)生高幅殘余壓應(yīng)力和高的位
錯密度，由于鋁化物涂層具有較高的熱穩(wěn)定性及抗氧化性能，產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力不會大幅
釋放，在高溫條件下不僅表現(xiàn)出良好的微動疲勞抗力，而且能使材料表面保持良好的耐腐
蝕性能，有效延長零件的服役壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是將滲鋁與激光沖擊強化處理技術(shù)有效結(jié)合起來，綜合提高材料在高溫環(huán)境中的抗氧化性能及微動疲勞抗力，延長零件的高溫疲勞壽命。 本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是利用滲鋁處理形成具有較高的熱穩(wěn)定性及抗氧化性能的鋁化物涂層，再對其進行激光沖擊強化在材料表面產(chǎn)生高幅值殘余壓應(yīng)力和高的位錯密度，能有效提高材料表面的微動疲勞抗力，綜合改善材料的機械性能，特別能大幅度提高材料的高溫疲勞壽命、抗高溫氧化性及抗腐蝕性能。具體方法如下 1.預(yù)處理先對材料除油、除銹清洗，然后進行熱處理，適當?shù)臒崽幚聿粌H可獲得較高的強度和塑性，同時在熱處理時材料表面形成一層氧化物薄膜，這層氧化物薄膜在滲鋁時可起到過渡層的作用，它可以提高材料與涂層的相容性，從而在高溫氧化過程中能夠提高涂層的抗裂紋和剝落能力，提高鋁化物涂層的抗氧化能力。 熱處理一般為退火處理，把預(yù)處理的試樣在高純度的惰性氣體保護下加熱到800 IOO(TC ，保溫2 4小時后爐冷卻至室溫，它不僅可以消除或減少加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，而且可提高材料的韌性。退火時在材料表面形成一層氧化物薄膜，這層氧化物薄膜在滲鋁時可起到過渡層的作用，增加基體與鋁化物涂層的結(jié)合能力。 2.滲鋁處理采用低活度粉末法滲鋁。由于其工藝簡單，成本較低且抗氧化能力較好已得到廣泛應(yīng)用。稀土-鋁滲劑按質(zhì)量百分比為40% 60%稀土鋁粉(其中稀土含5% 10% )，1% 4%活化劑用氯化銨，50% 80%填充劑為氧化鋁粉；滲鋁粉末經(jīng)充分混合之后，裝入不銹鋼罐內(nèi)，把材料埋在其中，用不銹鋼蓋板和耐火泥土封好端口 ，滲鋁罐在箱式電阻爐內(nèi)加熱到900 110(TC，保溫2 6h后隨爐冷卻到室溫。稀土元素在滲鋁過程中可改變滲劑的特性，起到催滲效果，并且能顯著地改善滲層的抗高溫氧化、熱腐蝕能力與抗剝落性能。 滲鋁處理為稀土元素改進型滲鋁，稀土是我國富有資源，擴大稀土在表面工程中
的應(yīng)用很有意義。稀土元素改進型滲鋁表面氧化膜的致密度和塑性較高，具有更高的耐蝕
性和熱疲勞抗力，而且稀土元素在滲鋁過程中可改變滲劑的特性，起到催滲效果。 3.表面清洗及表面整平用清洗劑洗掉表面粘附的粉末，然后對滲鋁后的表面進
行打磨、拋光處理。由于滲鋁后表面粗糙度增大，這也必然影響材料的微動疲勞抗力，使得
材料抗疲勞性能有所下降，所以在不影響滲鋁層的條件下有必要對滲鋁后的表面進行拋光處理。 4.激光沖擊處理清洗要沖擊的表面，干燥后涂上黑漆，以水為約束層進行激光沖擊，然后清洗沖擊區(qū)的黑漆。激光沖擊處理參數(shù)為激光輸出波長為1.054ym，脈沖寬度為15 30ns，激光脈沖能量約為15 50J。在激光沖擊波的高壓作用下，材料表面形成極大的沖擊或應(yīng)力波，從而使材料表層顯微組織中產(chǎn)生密集、均勻、穩(wěn)定的位錯壓結(jié)構(gòu)，材料表面晶粒得到細化，殘留高幅值壓應(yīng)力層，產(chǎn)生的表層殘余壓應(yīng)力能有效削弱微動疲勞驅(qū)動應(yīng)力，同時也可減緩微動磨損作用，因而能提高材料的微動疲勞壽命。與傳統(tǒng)噴丸相比形成的殘余應(yīng)力大，且不受零件結(jié)構(gòu)尺寸的限制，對于光滑零件表面強化后，基本不改變其粗糙度。 本發(fā)明表面處理方法的創(chuàng)新，在于充分結(jié)合了激光沖擊強化和滲鋁處理工藝的特點，滲鋁處理能明顯改善材料的熱疲勞性能，但由于滲鋁后的鋁化物涂層硬度較高，粗糙度增加，韌性低，影響了材料的微動疲勞抗力，而激光沖擊強產(chǎn)生的高幅殘余壓應(yīng)力層能能有效提高材料的微動疲勞壽命，而且與傳統(tǒng)噴丸相比形成的殘余應(yīng)力大，且不受零件結(jié)構(gòu)尺寸的限制，對于光滑零件表面強化后，基本不改變其粗糙度。因此，這種處理方法可以綜合提高材料耐磨性、抗蝕性及抗高溫氧化性能，從而提高高溫條件下零件的微動疲勞壽命。


圖1為滲鋁處理與激光沖擊復(fù)合處理工藝流程圖。
圖2為不同表面處理12CrMoV試樣的微動疲勞壽命圖。
具體實施方式
實施例1 : 以TC11鈦合金為例(TC11為近a +|3型兩相鈦合金，是一種重要的航空和宇航材料，該合金具有比強度高，中溫性能好，耐腐蝕性能好，重量輕等優(yōu)點，已用于航空發(fā)動機的壓氣機盤、葉片和鼓筒等零件以及飛機結(jié)構(gòu)件上。其化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，X)為A15. 8 6. 8， Mo 2. 8 3. 8， ZrO. 8 2. 5， Si 0. 2 0. 4， Fe 0. 4， C 0. 1， N 0. 05， H 0. 015，0 0. 15，余量為Ti) 1.先對TC11鈦合金清洗在對其進行熱處理。通過X射線衍射分析測定該合金的P相轉(zhuǎn)變溫度為1000士2(TC，進行雙重退火熱處理，即95(TC保溫lh，空冷+580°〇保溫6h，空冷。在其表面可形成了一層連續(xù)的Ti02+Al203混合氧化膜，該薄膜可增強鋁化物涂層與基體的結(jié)合能力。 2.用固體粉末法稀土滲鋁。稀土-鋁滲劑為由(質(zhì)量百分比)40% 60%稀土鋁粉(其中稀土含量5 % 10 % )，活化劑用氯化銨1 % 4% ，填充劑為氧化鋁粉50 % 80 % 。滲鋁粉末經(jīng)充分混合之后，裝入不銹鋼罐內(nèi)，把鈦合金埋在其中，用不銹鋼蓋板和耐火泥土封好端口 。滲鋁罐在箱式電阻爐內(nèi)加熱到950 IIO(TC，保溫2 6h后隨爐冷卻到室溫。 3.用清洗劑(無水乙醇)洗掉表面粘附的粉末，然后對滲鋁后的表面進行打磨、拋光處理。 4.激光沖擊處理清洗要沖擊的表面+干燥+涂上黑漆+裝夾+加約束層(水)+激光沖擊+清洗沖擊區(qū)的黑漆+干燥。在采用激光沖擊強化過程中，激光輸出波長為1. 054iim，脈沖寬度為15 30ns，激光脈沖能量約為15 50J，經(jīng)激光強化處理后在材料表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，由于殘余壓應(yīng)力在疲勞載荷中起著負平均應(yīng)力的作用，延緩了疲勞裂紋的萌生，從而增加了鈦合金的微動疲勞抗力。由于滲鋁后表現(xiàn)出良好的熱疲勞性能，因此這種方法能有效提高TC11鈦合金在高溫疲勞環(huán)境中的使用壽命。
實施例2 : 圖2對比了 35(TC高溫下12CrMoV鋼激光強化、低溫滲鋁與激光沖擊強化復(fù)合處理對微動疲勞壽命的影響?？梢钥吹?，12CrMoV鋼經(jīng)低溫滲鋁使其高溫的微動疲勞壽命降低了 1.8倍。其原因是12CrMoV鋼表面低溫滲鋁強化層硬度雖然較高，抗磨能力強，但韌性較低，甚至出現(xiàn)急冷裂紋。而激光強化使高溫下12CrMoV鋼的微動疲勞壽命提高3.4倍。這主要是由于激光強化引入的殘余壓應(yīng)力抑制裂紋擴展的原因。激光強化引入的表層殘余壓 應(yīng)力既削弱了有效FF驅(qū)動應(yīng)力，同時也減緩了微動磨損作用，因此，對裂紋的萌生也有一 定的延緩作用。對低溫滲鋁強化層進行激光強化后處理，微動疲勞壽命較低溫滲鋁單獨處 理有了明顯提高。激光沖擊使低溫滲鋁強化試樣微動疲勞壽命增加的原因主要是由于激光 沖擊引入的表面殘余壓應(yīng)力阻止了裂紋擴展。
權(quán)利要求
一種提高高溫條件下材料微動疲勞壽命的強化方法，其特征在于先利用滲鋁處理在材料表面形成具有較高的熱穩(wěn)定性及抗氧化性能的鋁化物涂層；再對其進行激光沖擊強化在材料表面產(chǎn)生高幅值殘余壓應(yīng)力和高的位錯密度。具體包括以下步驟(1)預(yù)處理對材料除油、除銹清洗，然后熱處理。(2)滲鋁處理采用低活度粉末法滲鋁，稀土-鋁滲劑按質(zhì)量百分比為40％～60％稀土鋁粉(其中稀土含5％～10％)，1％～4％活化劑用氯化銨，50％～80％填充劑為氧化鋁粉；滲鋁粉末經(jīng)充分混合之后，裝入不銹鋼罐內(nèi)，把材料埋在其中，用不銹鋼蓋板和耐火泥土封好端口，滲鋁罐在箱式電阻爐內(nèi)加熱到900～1100℃，保溫2～6h后隨爐冷卻到室溫。(3)用清洗劑洗掉表面粘附的粉末，然后對滲鋁后的表面進行打磨、拋光處理。(4)激光沖擊處理清洗要沖擊的表面，干燥后涂上黑漆，以水為約束層進行激光沖擊，然后清洗沖擊區(qū)的黑漆，并干燥；激光沖擊處理參數(shù)為激光輸出波長為1.054μm，脈沖寬度為15～30ns，激光脈沖能量約為15～50J。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高高溫條件下材料微動疲勞壽命的強化方法，其特征 在于所述的預(yù)處理在于預(yù)處理的試樣在高純度的惰性氣體保護下加熱到800 IOO(TC， 保溫2 4小時后爐冷卻至室溫，這樣可在材料表層形成一層氧化物薄膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高高溫條件下材料微動疲勞壽命的強化方法。這種強化方法將滲鋁與激光沖擊強化處理這兩種技術(shù)有效結(jié)合起來，零件經(jīng)過滲鋁處理后再對其表面進行激光沖擊強化復(fù)合處理，使其表面形成高幅殘余壓應(yīng)力和高位錯密度，有利于降低表面摩擦系數(shù)，改善其微動磨損性能，并提高其抗微動疲勞抗力。經(jīng)過這種強化方法的零件具有高耐磨性、抗蝕性、抗高溫氧化性能，大大提高了高溫條件下零件的微動疲勞壽命。
文檔編號C23C10/00GK101698930SQ20091023292
公開日2010年4月28日 申請日期2009年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月9日
發(fā)明者任旭東, 馮愛新, 姜大偉, 張永康, 張?zhí)? 朱圣才 申請人:江蘇大學(xué)