CN105112622B - 一种能显著提高不锈钢材料抗氢脆性能的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种能显著提高316L不锈钢抗氢脆性能的方法及装置，首先利用高温（250~450℃）促进表面氢原子析出，然后在动态应变时效温度（300~450℃）下进行激光冲击，一方面利用塑性变形加速氢原子的析出，另一方面阻碍降温过程中氢原子的二次侵入，同时利用高密度位错与晶界的钉扎效应有效阻滞氢服役环境中氢原子侵蚀以及氢原子偏析所致的氢脆现象，大幅降低316L不锈钢的氢致马氏体相变，结合激光冲击诱导的高幅残余压应力可以有效提高其在氢腐蚀环境下的表面性能及疲劳性能。所述装置包括激光器、加热平台、运动平台、约束系统及氮气保护系统等核心部件。本发明具有结构简单，工艺可控，成本低廉等优点。
Description
技术领域
本发明涉及材料表面强化领域和激光加工技术领域，尤其一种不锈钢材料的抗氢脆技术，具体地说是一种利用高温与激光温喷丸技术显著提高不锈钢材料（316L）抗氢脆性能的复合方法和装置。
背景技术
316L不锈钢是工业或海洋大气中应用最广泛的一类有色合金金属，常作为耐高压耐氢蚀的衬底用于氢能源汽车中的储氢罐上。然而该材料在含氢介质中长期服役时，会发生相应的塑性降低现象，产生氢致脆性断裂。为此，提高含氢介质中316L不锈钢的抗氢脆性能的研究受到重视。
目前针对含氢介质中材料抗氢脆性能的研究主要集中在材料加工过程中工艺及镀层的改进。例如专利号为CN 101204861 A的发明专利，提出了一种在钛合金零件表面制备保护层来防止其在氢气氛围中产生氢脆的现象，所述方法主要包括除油、除膜、催化、化学镀镍、电镀金、热处理过程，制得的钛合金基体表面形成有氟化膜，在氟化膜镀覆有镍磷过渡层，在过渡层上镀覆有厚度为5一20 u m的致密金层，从而可以有效防止钛合金基体在氢气气氛中的氢脆现象；专利号为CN 201850323 U的发明专利，提出了一种新型的螺钉紧固件的锌镍合金镀层，该方法主要包括首先在螺钉紧固件表面镀有一层5~8μm的锌镍合金镀层，接着在锌镍合金镀层上覆盖一层400～500nm厚的三价铬化合物钝化膜，最后在钝化膜上覆盖一层封闭膜，该方法可以有效提高材料的耐蚀性和降低其氢脆敏感性。上述专利都是从材料原始加工工艺方面及表面镀层方面进行改善以提高材料的抗氢脆性能，尚存在诸多不足：1.抗氢脆性能强烈依赖于表面涂层/镀膜的结合强度，故长时间服役后抗氢脆性能大大降低；2.表面涂层及镀膜过程涉及到的高温会引起表面残余拉应力，不利于疲劳寿命的增加；3.工艺极为复杂，工艺及操作成本较高。
与本发明较为相似的专利为CN 101960024 A的发明专利，提出了一种去除奥氏体不锈钢内氢含量的方法，所述方法为将奥氏体不锈钢边保持在大气环境下，边以200℃以上、1100℃以下的加热温度加热而进行时效处理，使奥氏体不锈钢含有的氢(H)除去至0.001 质量％ (1 质量 ppm) 以下，该专利虽可去除奥氏体不锈钢内氢含量，但是仍有不足：1.表面残余拉应力较高，不利于疲劳寿命的增加；2.降温过程中难以避免氢元素的二次侵蚀，降低了排氢效果。
通过对国内外文献进行检索，目前还没有发现有关使用高温与激光温喷丸表面处理的复合方法来提高316L不锈钢抗氢脆性能的相关报道。
发明内容
本发明的目的是针对现有的不锈钢材料主要从材料成分及镀层方面来提高抗氢脆性能，工艺复杂，投入大同时电镀过程仍会引入大量氢原子的问题方面考虑，发明一种工艺简单，效率高的激光温喷丸表面强化处理方法，同时设计一种相应的强化装置。
本发明的技术方案之一是。
一种能显著提高不锈钢抗氢脆性能的方法，其特征在于：首先将不锈钢工件加热到能促进表面氢原子析出的温度进行氢原子析出，保温到设定的时间后再次加热到不锈钢动态应变时效温度（300-450℃）并进行激光冲击，通过激光冲击一方面利用塑性变形加速不锈钢工件氢原子的析出，另一方面阻碍降温过程中氢原子的二次侵入，同时利用高密度位错与晶界的钉扎效应有效阻滞氢服役环境中氢原子侵蚀以及氢原子偏析所致的氢脆现象，大幅降低不锈钢的氢致马氏体相变，结合激光冲击诱导的高幅残余压应力以有效提高其在氢腐蚀环境下的表面性能及疲劳性能。
所述的不锈钢为316L。
所述的不锈钢工件的氢原子析出温度为250-450℃，保温时间为0.5-3小时。
具体步骤可细化为：
A. 将不锈钢工件11置于加热平台10上，打开氮气罐17的旋转阀门15，依据压力表16调节喷气嘴13的出气压力为2×105~4×105Pa，以驱除不锈钢工件表面溢出或空气中的氢原子；同时打开加热平台控制器25，预热0.5~3小时，设置温度为250~450℃；
B. 预热结束后在不锈钢工件11表面涂一层耐高温黑漆12，调节加热平台控制器25温度为300~550℃，3~5分钟后打开油泵3并旋转阀门6控制喷油嘴8出油速度为2~5 L/min，形成硅油约束层9；
C. 通过计算机1打开激光器5对不锈钢工件11进行喷丸处理，同时控制运动平台在不锈钢工件11上加工出所需的喷丸区域；
D. 喷丸结束后，通过计算机1关闭激光器5及运动平台，同时手动关闭加热平台控制器25、油泵3、阀门6及氮气罐阀门15，待不锈钢工件11冷却后取下工件11并进行超声波清洗。
激光器5的激光能量设置为3~12J，光束直径为3~5 mm，光斑搭接率为50~75%。
本发明的技术方案之二是：
一种能显著提高不锈钢抗氢脆性能的装置，其特征是它包括：
一第一水平运动平台22，该水平运动平台能作X或Y向移动；
一第二水平运动平台23，该水平运动平台能作Y或X向移动；
一收集槽18，该收集槽18设置在第一水平运动平台22上用于回收硅油约束层9流出的硅油；
一凸台24，该凸台24安装在收集槽18中心处，用于安放加热平台10，加热平台10受控于加热平台控制器25，不锈钢工件11安装在所述的加热平台10上；
一喷油嘴8，该喷油嘴8用于向不锈钢工件表面喷涂硅油以便在不锈钢工件表面形成硅油约束层9，所述喷油嘴通过出油管7与油泵3相连，油泵3通过油管4与硅油桶2相连；
一喷气嘴13，该喷气嘴13用于驱除不锈钢工件表面溢出或空气中的氢原子，它通过出气管14与氮气罐17相连；；
一激光器5，它用于对不锈钢工件进行激光冲击；
一计算机1，该计算机用于控制激光器、第一水平运动平台22和第二水平运动平台23协调工作，以完成整个激光冲击过程。
所述的收集槽18底部通过出油管20与外部回收桶19相连。
所述的喷油嘴8的出油速度为2~5 L/min；所述的喷气嘴13的出气压力为2×105~4×105Pa。
所述的油泵3与出油管7连接处安装阀门6以便调节喷油嘴8的喷油速度；出气管14与氮气罐17相连处安装压力指示表16用以确定喷气嘴13的出气压力；喷油嘴与水平方向的夹角设为135°，喷气嘴与水平方向的夹角设为30°，两者成相反方向安装。
所述的的不锈钢工件为316L不锈钢。
本发明的有益效果是：
1. 本发明利用高温有效去除材料中的氢元素，同时利用激光温喷丸减少降温过程中氢元素的二次侵蚀，处理后材料表面的氢元素含量极低。
2. 激光温喷丸诱导的高密度位错与晶界的钉扎效应有效阻滞氢服役环境中氢原子侵蚀以及氢原子偏析所致的氢脆现象，抗氢脆效果极为突出。
3. 本发明能在材料表层诱导产生高幅残余压应力，进而对材料表层的氢致裂纹产生闭合效应，大幅提高材料的抗氢脆性能。
4. 本发明方法易于实施，同时最大限度的降低了对环境的污染，柔性化程度高，适合批量生产以及产业化应用。
附图说明
图1是本发明的抗氢脆装置的结构示意图。
图2是本发明方法处理前后充氢的表面物相测试结果。
图3是本发明方法处理前后充氢的表面显微硬度测试结果。
图中：1. 计算机，2. 硅油桶，3. 油泵，4. 油管，5. 激光器，6. 阀门开关，7. 出油管，8. 喷油嘴，9. 硅油约束层，10. 加热平台，11. 工件，12. 耐高温黑漆，13. 喷气嘴，14. 出气管，15. 阀门，16. 压力指示表，17. 氮气罐，18. 硅油收集槽，19. 硅油回收桶，20. 导油管，21. 硅油，22. y方向运动平台，23. x方向运动平台，24. 凸台，25. 加热平台控制器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一。
如图1~3所示。
下面以316L不锈钢为例，使用本发明中一种能显著提高316L不锈钢抗氢脆性能的方法对其进行表面处理，原理如图1所示，激光器5的激光能量设置为8J，光束直径为4 mm，光斑搭接率为50%。具体实施时，激光能量、光束直径、光斑搭接率可根据工件大小、厚度及型号进行调整选择；具体步骤包括：
A. 将不锈钢工件11置于加热平台10上，打开氮气罐17的旋转阀门15，依据压力表16调节喷嘴13的出气压力为3.5×105Pa，以驱除试样表面溢出或空气中的氢原子；同时打开加热平台控制器25，预热2.5小时，设置温度为400℃。
B. 预热结束后在工件11表面涂一层耐高温黑漆12，调节加热平台控制器25温度为350℃，5分钟后打开油泵3并旋转阀门6控制喷嘴8出油速度为3 L/min，形成硅油约束层9。
C. 通过计算机1打开激光器5对工件11进行喷丸处理，同时控制第一运动平台22、第二运动平台23在工件11上加工出所需的喷丸区域。
D. 喷丸结束后，通过计算机1关闭激光器5及第一运动平台22、第二运动平台23，同时手动关闭加热平台控制器25、油泵3、阀门6及氮气罐阀门15，待工件11冷却后取下工件11并进行超声波清洗。
E. 待硅油收集槽18内的硅油21流尽至废油回收桶19后，取下废油回收桶19并对其内硅油21进行过滤与回收。
对经过上述方法处理的试样与未处理试样进行表面物相分析、显微硬度测试及疲劳性能测试，测试结果如图2~3所示。从图2中可以看出与未处理试样相比，本发明方法处理试样表面的马氏体相变得以减少，说明本发明方法降低了材料的氢含量并抑制了氢环境中的氢致马氏体相变。从图3中也可以看出，未处理试样充氢后硬度得到升高平均表面显微硬度值从178.8HV提高到187.7HV，而本发明方法处理试样充氢后硬度变化不明显平均表面显微硬度值从236.1HV提高至236.7HV，可见本发明方法有效地抑制了氢原子的扩散，从而提高了316L不锈钢的抗氢脆性能。
实验证明，对其它型号的不锈钢也具有相同的技术效果，证明本发明的方法适用性好，具有推广应用价值。
实施例二。
如图1所示。
一种能显著提高316L不锈钢抗氢脆性能的装置，它包括第一水平运动平台22、第二水平运动平台23，第一水平运动平台22安装在第二水平运动平台23上，第一水平运动平台22和第二水平运动平台23在计算机1的控制下协同工作完成工作水平方向的前后、左右移动，为不锈钢工件11的激光冲击提供运动保障，第一水平运动平台22上设置有回收硅油约束层9的收集槽18，收集槽18中心处安装凸台24，凸台24的高度可设计成可高的或固定高度的，凸台24用于安放加热平台10，同时收集槽18底部通过出油管20与外部回收桶19相连；喷油嘴8通过出油管7与油泵3相连，油泵3通过油管4与硅油桶2相连，喷气嘴13通过出气管14与氮气罐17相连，喷油嘴8与喷气嘴13均安放在工件11上方，能在工件11上形成稳定的硅油约束层及气流。其中油泵3与出油管7连接处安装阀门6，可调节喷油嘴8的喷油速度；出气管14与氮气罐17相连处安装压力指示表16用以确定喷气嘴13的出气压力；喷油嘴与水平方向的夹角设为135°，喷气嘴与水平方向的夹角设为30°，两者成相反方向安装。对不锈钢工件进行激光冲击的激光器5受控于计算机1，激光能量可设置为8J，光束直径为4 mm，光斑搭接率为50%。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种能显著提高不锈钢抗氢脆性能的方法，其特征在于：首先将不锈钢工件加热到能促进表面氢原子析出的温度进行氢原子析出，保温到设定的时间后再次加热到不锈钢动态应变时效温度300-450℃并进行激光冲击，通过激光冲击一方面利用塑性变形加速不锈钢工件氢原子的析出，另一方面阻碍降温过程中氢原子的二次侵入，同时利用高密度位错与晶界的钉扎效应有效阻滞氢服役环境中氢原子侵蚀以及氢原子偏析所致的氢脆现象，大幅降低不锈钢的氢致马氏体相变，结合激光冲击诱导的高幅残余压应力以有效提高其在氢腐蚀环境下的表面性能及疲劳性能；它包括以下具体步骤：
A. 将不锈钢工件（11）置于加热平台（10）上，打开氮气罐（17）的旋转阀门（15），依据压力表（16）调节喷气嘴（13）的出气压力为2×105~4×105Pa，以驱除不锈钢工件表面溢出或空气中的氢原子；同时打开加热平台控制器（25），预热0.5~3小时，设置温度为250~450℃；
B. 预热结束后在不锈钢工件（11）表面涂一层耐高温黑漆（12），调节加热平台控制器（25）温度为300~550℃，3~5分钟后打开油泵（3）并旋转阀门（6）控制喷油嘴（8）出油速度为2~5 L/min，形成硅油约束层（9）；
C. 通过计算机（1）打开激光器（5）对不锈钢工件（11）进行喷丸处理，同时控制运动平台在不锈钢工件（11）上加工出所需的喷丸区域；
D. 喷丸结束后，通过计算机（1）关闭激光器（5）及运动平台，同时手动关闭加热平台控制器（25）、油泵（3）、阀门（6）及氮气罐阀门（15），待不锈钢工件（11）冷却后取下工件（11）并进行超声波清洗。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的不锈钢为316L。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的不锈钢工件的氢原子析出温度为250-450℃，保温时间为0.5-3小时。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于激光器（5）的激光能量设置为3~12J，光束直径为3~5 mm，光斑搭接率为50~75%。
5.一种权利要求1所述的能显著提高不锈钢抗氢脆性能的方法使用的装置，其特征是它包括：
一第一水平运动平台（22），该水平运动平台能作X或Y向移动；
一第二水平运动平台（23），该水平运动平台能作Y或X向移动；
一收集槽（18），该收集槽（18）设置在第一水平运动平台（22）上用于回收硅油约束层（9）流出的硅油；
一凸台（24），该凸台（24）安装在收集槽（18）中心处，用于安放加热平台（10），加热平台（10）受控于加热平台控制器（25），不锈钢工件（11）安装在所述的加热平台（10）上；
一喷油嘴（8），该喷油嘴（8）用于向不锈钢工件表面喷涂硅油以便在不锈钢工件表面形成硅油约束层（9），所述喷油嘴通过出油管（7）与油泵（3）相连，油泵（3）通过油管（4）与硅油桶（2）相连；
一喷气嘴（13），该喷气嘴（13）用于驱除不锈钢工件表面溢出或空气中的氢原子，它通过出气管（14）与氮气罐（17）相连；
一激光器（5），它用于对不锈钢工件进行激光冲击；
一计算机（1），该计算机用于控制激光器、油泵、加热平台控制器（25）、第一水平运动平台（22）和第二水平运动平台（23）协调工作，完成整个激光冲击过程；
所述的喷油嘴（8）的出油速度为2~5 L/min；所述的喷气嘴（13）的出气压力为2×105～4×105Pa。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征是所述的收集槽（18）底部通过出油管（20）与外部回收桶（19）相连。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征是所述的油泵（3）与出油管（7）连接处安装阀门（6）以便调节喷油嘴（8）的喷油速度；出气管（14）与氮气罐（17）相连处安装压力表（16）用以确定喷气嘴（13）的出气压力；喷油嘴与水平方向的夹角设为135°，喷气嘴与水平方向的夹角设为30°，两者成相反方向安装。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征是所述的不锈钢工件为316L不锈钢。
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