CN101698930A - 一种提高高温条件下材料微动疲劳寿命的强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高高温条件下材料微动疲劳寿命的强化方法。这种强化方法将渗铝与激光冲击强化处理这两种技术有效结合起来，零件经过渗铝处理后再对其表面进行激光冲击强化复合处理，使其表面形成高幅残余压应力和高位错密度，有利于降低表面摩擦系数，改善其微动磨损性能，并提高其抗微动疲劳抗力。经过这种强化方法的零件具有高耐磨性、抗蚀性、抗高温氧化性能，大大提高了高温条件下零件的微动疲劳寿命。
Description
技术领域
本发明涉及材料加工处理与金属构件表面强化应用技术领域，特指一种渗铝与激光冲击复合处理技术改善高温疲劳条件下金属材料及合金材料的微动疲劳性能，延长工件的疲劳寿命的方法，尤其适用于航空航天、核能、机械制造及石油化工重要热端零部件表面强化改性。
背景技术
近年来，随着石油、化工、核能及航空航天事业的蓬勃发展，对很多设备工作环境的要求越来越苛刻，设备零件不仅要承受更加复杂的机械载荷、热载荷，而且要承受环境介质的氧化和腐蚀作用。一些高温材料虽然具有密度小、重量轻、比强度高、耐腐蚀等优点，然而其不足的抗氧化能力严重限制了其应用范围，因而材料的高温抗氧化能力还尚需进一步提高。目前，有两种方法可提高材料的抗氧化能力：一种就是通过合金化的方法，另一种就是通过表面改性的方法来提高材料的抗高温氧化能力。通过合金化方法如加入合金元素Mo、Ta、Cr、Si或W虽然能提高材料的抗氧化能力，但由于合金元素的加入不仅严重影响合金的力学性能，而且还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实际可行的方法来提高材料的抗氧化能力。
目前表面改性处理来提高材料的抗氧化能力的方法很多，如MCrAlY包覆涂层、渗铝涂层、硅化物陶瓷涂层、低氧压下的预氧化层等。在众多的涂层中，由于渗铝工艺方法简单，对渗铝过程对设备要求不高，因而被广泛的应用。材料渗铝的目的是为了提高抗氧化和抗热腐蚀性能。通过渗铝在高温作用下形成连续致密的Al2O3，Cr2O3或混有SiO2的保护性氧化膜，零件表面形成的铝化物涂层具有很高的热稳定性。高温材料作为设备的关键重要热端部件，工作时既要承受较高温度的作用，又要经受巨大而复杂的应力作用。所以，不但要求涂层具有较好的热稳定性，而且要求涂层对基材力学性能有好的影响。
材料渗铝后表面形成的铝化物涂层具有较高的热稳定性及抗氧化性能，表现出优异的热疲劳性能。但是渗铝过程中形成的铝化物涂层硬度较高，粗糙度增加，韧性低，而且材料在高温环境中对微动疲劳损伤十分敏感，因此在以疲劳为主的微动疲劳过程中易发生微动疲劳损伤失效，这已直接构成影响高温材料在设备运行中安全使用的重要因素。
本发明技术就是针对渗铝处理的缺陷，将渗铝与激光冲击强化处理这两种技术有效结合起来，利用它们的优点来弥补各自的不足，零件材料经过渗铝处理后再对其表面进行激光冲击强化复合处理，使其表面形成高幅残余压应力和高的位错密度，有利于降低表面摩擦系数，改善其微动磨损性能，并提高其抗微动疲劳抗力。这样零件材料同时具有高耐磨性、抗蚀性、抗高温氧化性能，从而提高高温条件下叶片的微动疲劳寿命。
渗铝复合处理后，在零件表面形成的铝化物涂层中产生高幅残余压应力和高的位错密度，由于铝化物涂层具有较高的热稳定性及抗氧化性能，产生的残余压应力不会大幅释放，在高温条件下不仅表现出良好的微动疲劳抗力，而且能使材料表面保持良好的耐腐蚀性能，有效延长零件的服役寿命。
发明内容
本发明的目的是将渗铝与激光冲击强化处理技术有效结合起来，综合提高材料在高温环境中的抗氧化性能及微动疲劳抗力，延长零件的高温疲劳寿命。
本发明所采取的技术方案是利用渗铝处理形成具有较高的热稳定性及抗氧化性能的铝化物涂层，再对其进行激光冲击强化在材料表面产生高幅值残余压应力和高的位错密度，能有效提高材料表面的微动疲劳抗力，综合改善材料的机械性能，特别能大幅度提高材料的高温疲劳寿命、抗高温氧化性及抗腐蚀性能。具体方法如下：
1.预处理：先对材料除油、除锈清洗，然后进行热处理，适当的热处理不仅可获得较高的强度和塑性，同时在热处理时材料表面形成一层氧化物薄膜，这层氧化物薄膜在渗铝时可起到过渡层的作用，它可以提高材料与涂层的相容性，从而在高温氧化过程中能够提高涂层的抗裂纹和剥落能力，提高铝化物涂层的抗氧化能力。
热处理一般为退火处理，把预处理的试样在高纯度的惰性气体保护下加热到800～1000℃，保温2～4小时后炉冷却至室温，它不仅可以消除或减少加工过程中产生的残余应力，而且可提高材料的韧性。退火时在材料表面形成一层氧化物薄膜，这层氧化物薄膜在渗铝时可起到过渡层的作用，增加基体与铝化物涂层的结合能力。
2.渗铝处理：采用低活度粉末法渗铝。由于其工艺简单，成本较低且抗氧化能力较好已得到广泛应用。稀土-铝渗剂按质量百分比为：40％～60％稀土铝粉(其中稀土含5％～10％)，1％～4％活化剂用氯化铵，50％～80％填充剂为氧化铝粉；渗铝粉末经充分混合之后，装入不锈钢罐内，把材料埋在其中，用不锈钢盖板和耐火泥土封好端口，渗铝罐在箱式电阻炉内加热到900～1100℃，保温2～6h后随炉冷却到室温。稀土元素在渗铝过程中可改变渗剂的特性，起到催渗效果，并且能显著地改善渗层的抗高温氧化、热腐蚀能力与抗剥落性能。
渗铝处理为稀土元素改进型渗铝，稀土是我国富有资源，扩大稀土在表面工程中的应用很有意义。稀土元素改进型渗铝表面氧化膜的致密度和塑性较高，具有更高的耐蚀性和热疲劳抗力，而且稀土元素在渗铝过程中可改变渗剂的特性，起到催渗效果。
3.表面清洗及表面整平：用清洗剂洗掉表面粘附的粉末，然后对渗铝后的表面进行打磨、抛光处理。由于渗铝后表面粗糙度增大，这也必然影响材料的微动疲劳抗力，使得材料抗疲劳性能有所下降，所以在不影响渗铝层的条件下有必要对渗铝后的表面进行抛光处理。
4.激光冲击处理：清洗要冲击的表面，干燥后涂上黑漆，以水为约束层进行激光冲击，然后清洗冲击区的黑漆。激光冲击处理参数为：激光输出波长为1.054μm，脉冲宽度为15～30ns，激光脉冲能量约为15～50J。在激光冲击波的高压作用下，材料表面形成极大的冲击或应力波，从而使材料表层显微组织中产生密集、均匀、稳定的位错压结构，材料表面晶粒得到细化，残留高幅值压应力层，产生的表层残余压应力能有效削弱微动疲劳驱动应力，同时也可减缓微动磨损作用，因而能提高材料的微动疲劳寿命。与传统喷丸相比形成的残余应力大，且不受零件结构尺寸的限制，对于光滑零件表面强化后，基本不改变其粗糙度。
本发明表面处理方法的创新，在于充分结合了激光冲击强化和渗铝处理工艺的特点，渗铝处理能明显改善材料的热疲劳性能，但由于渗铝后的铝化物涂层硬度较高，粗糙度增加，韧性低，影响了材料的微动疲劳抗力，而激光冲击强产生的高幅残余压应力层能能有效提高材料的微动疲劳寿命，而且与传统喷丸相比形成的残余应力大，且不受零件结构尺寸的限制，对于光滑零件表面强化后，基本不改变其粗糙度。因此，这种处理方法可以综合提高材料耐磨性、抗蚀性及抗高温氧化性能，从而提高高温条件下零件的微动疲劳寿命。
附图说明
图1为渗铝处理与激光冲击复合处理工艺流程图。
图2为不同表面处理12CrMoV试样的微动疲劳寿命图。
具体实施方式
实施例1：
以TC11钛合金为例(TC11为近α+β型两相钛合金，是一种重要的航空和宇航材料，该合金具有比强度高，中温性能好，耐腐蚀性能好，重量轻等优点，已用于航空发动机的压气机盘、叶片和鼓筒等零件以及飞机结构件上。其化学成分(质量分数，％)为Al 5.8～6.8，Mo 2.8～3.8，Zr0.8～2.5，Si 0.2～0.4，Fe 0.4，C 0.1，N 0.05，H 0.015，O 0.15，余量为Ti)
1.先对TC11钛合金清洗在对其进行热处理。通过X射线衍射分析测定该合金的β相转变温度为1000±20℃，进行双重退火热处理，即950℃保温1h，空冷+580℃保温6h，空冷。在其表面可形成了一层连续的TiO2+Al2O3混合氧化膜，该薄膜可增强铝化物涂层与基体的结合能力。
2.用固体粉末法稀土渗铝。稀土-铝渗剂为：由(质量百分比)40％～60％稀土铝粉(其中稀土含量5％～10％)，活化剂用氯化铵1％～4％，填充剂为氧化铝粉50％～80％。渗铝粉末经充分混合之后，装入不锈钢罐内，把钛合金埋在其中，用不锈钢盖板和耐火泥土封好端口。渗铝罐在箱式电阻炉内加热到950～1100℃，保温2～6h后随炉冷却到室温。
3.用清洗剂(无水乙醇)洗掉表面粘附的粉末，然后对渗铝后的表面进行打磨、抛光处理。
4.激光冲击处理：清洗要冲击的表面+干燥+涂上黑漆+装夹+加约束层(水)+激光冲击+清洗冲击区的黑漆+干燥。在采用激光冲击强化过程中，激光输出波长为1.054μm，脉冲宽度为15～30ns，激光脉冲能量约为15～50J，经激光强化处理后在材料表层产生残余压应力，由于残余压应力在疲劳载荷中起着负平均应力的作用，延缓了疲劳裂纹的萌生，从而增加了钛合金的微动疲劳抗力。由于渗铝后表现出良好的热疲劳性能，因此这种方法能有效提高TC11钛合金在高温疲劳环境中的使用寿命。
实施例2：
图2对比了350℃高温下12CrMoV钢激光强化、低温渗铝与激光冲击强化复合处理对微动疲劳寿命的影响。可以看到，12CrMoV钢经低温渗铝使其高温的微动疲劳寿命降低了1.8倍。其原因是12CrMoV钢表面低温渗铝强化层硬度虽然较高，抗磨能力强，但韧性较低，甚至出现急冷裂纹。而激光强化使高温下12CrMoV钢的微动疲劳寿命提高3.4倍。这主要是由于激光强化引入的残余压应力抑制裂纹扩展的原因。激光强化引入的表层残余压应力既削弱了有效FF驱动应力，同时也减缓了微动磨损作用，因此，对裂纹的萌生也有一定的延缓作用。对低温渗铝强化层进行激光强化后处理，微动疲劳寿命较低温渗铝单独处理有了明显提高。激光冲击使低温渗铝强化试样微动疲劳寿命增加的原因主要是由于激光冲击引入的表面残余压应力阻止了裂纹扩展。
Claims (2)
1.一种提高高温条件下材料微动疲劳寿命的强化方法，其特征在于：先利用渗铝处理在材料表面形成具有较高的热稳定性及抗氧化性能的铝化物涂层；再对其进行激光冲击强化在材料表面产生高幅值残余压应力和高的位错密度。具体包括以下步骤：
(1)预处理：对材料除油、除锈清洗，然后热处理。
(2)渗铝处理：采用低活度粉末法渗铝，稀土-铝渗剂按质量百分比为：40％～60％稀土铝粉(其中稀土含5％～10％)，1％～4％活化剂用氯化铵，50％～80％填充剂为氧化铝粉；渗铝粉末经充分混合之后，装入不锈钢罐内，把材料埋在其中，用不锈钢盖板和耐火泥土封好端口，渗铝罐在箱式电阻炉内加热到900～1100℃，保温2～6h后随炉冷却到室温。
(3)用清洗剂洗掉表面粘附的粉末，然后对渗铝后的表面进行打磨、抛光处理。
(4)激光冲击处理：清洗要冲击的表面，干燥后涂上黑漆，以水为约束层进行激光冲击，然后清洗冲击区的黑漆，并干燥；激光冲击处理参数为：激光输出波长为1.054μm，脉冲宽度为15～30ns，激光脉冲能量约为15～50J。
2.根据权利要求1所述的一种提高高温条件下材料微动疲劳寿命的强化方法，其特征在于：所述的预处理在于预处理的试样在高纯度的惰性气体保护下加热到800～1000℃，保温2～4小时后炉冷却至室温，这样可在材料表层形成一层氧化物薄膜。
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