激光熔覆沉淀硬化不锈钢耐磨耐蚀涂层的制备方法与应用与流程

本发明属于金属表面处理
技术领域：
，具体涉及激光熔覆沉淀硬化不锈钢耐磨耐蚀涂层的制备方法与应用。
背景技术：
：沉淀硬化不锈钢是二次世界大战以后，由于航空航天的迅速发展，传统材料的强度和硬度已经不能满足所需性能要求而开发的钢种。其中，1cr15ni4mo3n沉淀硬化不锈钢是一种铁磁性材料，具有较高的强度、耐蚀性、抗氧化性和可焊性等优点，可以在奥氏体状态进行加工、冷变成形和焊接，随后通过改善处理控制马氏体的转变和析出硬化，获得优异的强韧性和耐腐蚀性，尤其是对抗应力腐蚀具有大大的提高。并且该钢平均显微硬度可达449hv，具有良好的纵横向性能，较低的缺口敏感性以及低载荷下的应力集中敏感性和工艺性，是当前综合力学性能优异的金属结构材料，可用于300℃的大气和燃料长期工作的承力零件及紧固件，但其对热处理要求严格，易出现强度、硬度下降导致零部件磨损而发生损失或快速失效，提高其耐磨耐蚀性成为许多学者研究的对象。半奥氏体沉淀硬化不锈钢对其各化学成分及含量要求非常严格，热处理工艺复杂，并且对温度的设定及控制要很高的精确性，钢在加工硬化方面趋向性较大，在深变形、冷加工时常需进行多次中间退火。因此该材料在实际热处理过程中，经常出现硬度、强度偏下限问题，耐磨性下降，导致在实际应用中出现故障。为得到更好的强度和硬度，大多数研究者改变不同时段如：回火、退火时的温度来提高其硬度和强度。吴奎林等通过回火温度为250、300、350、470、600℃，研究1crl5ni4mo3n的组织与性能，当回火温度低于200℃时，该钢具有较高的抗拉强度和硬度；300℃时，材料的抗拉强度和硬度呈下降趋势；在300-450℃之间，抗拉强度和硬度又随回火温度的升高而逐渐增高；当回火温度达到470℃时，抗拉强度及硬度都会升到最高值；回火温度超出470℃时，抗拉强度和硬度又迅速下降。此外，1crl5ni4mo3n的耐疲劳性能和耐磨性能相对于耐腐蚀性能相差甚远。一些研究者采用镀层表面处理来提高其耐疲劳性，tangz等在1crl5ni4mo3n上刷镀镍，研究刷镀镍对1cr15ni4mo3n钢疲劳、氢脆等性能的影响，采用镀镍工艺的1cr15ni4mo3n钢经过200h氢脆试验后，脆性能合格；并且使其疲劳极限下降36％，可以通过衬套的功能考核疲劳试验；镍镀层与1cr15ni4mo3n钢基体具有良好的结合力，刷镀镍工艺是一种修复1cr15ni4mo3n钢零件的好方法。但不管热处理温度的调整或表面处理都只能单方便的改变其性能，并且方法比较麻烦，影响因素较多，不能完全确保能够改善其强度、硬度。因此急需一种能够很好地改善1crl5ni4mo3n综合性能的强化工艺，而最近几年兴起的激光熔覆技术就很符合这样的要求。技术实现要素：本发明的目的在于提供激光熔覆沉淀硬化不锈钢耐磨耐蚀涂层的制备方法。本发明的目的还在于提供激光熔覆沉淀硬化不锈钢耐磨耐蚀涂层的应用。本发明的目的通过以下技术方案实现：激光熔覆沉淀硬化不锈钢耐磨耐蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)基体材料预处理：先将基体材料进行真空淬火并保温一段时间后油浴，然后冰冷处理并保温一段时间后空冷；再对冰冷处理后的基体材料进行回火并保温一段时间空冷出炉，为后序激光熔覆做准备；(2)熔覆层材料选择：熔覆层选用与步骤(1)所述基体材料元素相近、含量不同的粉末，所述熔覆层粉末为规则圆球状；(3)激光熔覆工艺：采用同步送粉激光系统方式将步骤(2)所述熔覆层粉末通过送粉器送入激光光束下方熔化，在步骤(1)所述基体材料表面凝固形成熔覆层。步骤(1)中所述的基体材料为1cr15ni4mo3n沉淀硬化不锈钢，所述的1cr15ni4mo3n沉淀硬化不锈钢为直径12cm、高1cm的圆形钢板。步骤(1)中所述真空淬火温度为1050-1070℃，保温时间为40-60min，所述真空淬火后的基体材料结构为马氏体和大量残余奥氏体；所述冰冷处理温度为-(70-75)℃，保温时间为100-120min，所述冰冷处理后的基体材料结构为马氏体和少量残余奥氏体；所述回火温度为350-400℃，保温时间为100-120min，所述回火后的基体材料结构为马氏体和少量碳化物。步骤(1)中所述的基体材料由包含以下组分和重量百分比含量组成：c0.11～0.16wt％,mn0.5～1.0wt％，mo2.3～2.8wt％，ni4.0～5.0wt％，cr14.0～15.5wt％，n0.05～0.10wt％,si不大于0.7wt％，s不大于0.02wt％，p不大于0.03wt％，余量为fe。优选的，步骤(1)中所述的基体材料由包含以下组分和重量百分比含量组成：c0.12～0.14wt％,mn0.7～0.9wt％，mo2.5～2.7wt％，ni4.4～4.6wt％，cr14.5～15.0wt％，n0.07～0.09wt％,si不大于0.5wt％，s不大于0.01wt％，p不大于0.02wt％，余量为fe。步骤(2)中所述的熔覆层材料由包含以下组分和重量百分比含量组成：c10.65-12.50wt％,mo2.36-2.77wt％，ni4.08-4.79wt％，cr11.18-13.12wt％，n1.96-6.02wt％,al0.23-0.37wt％，si0.16-0.25wt％，s不大于0.05wt％，p不大于0.05wt％，余量为fe。优选的，步骤(2)中所述的熔覆层材料由包含以下组分和重量百分比含量组成：c11.50-12.00wt％,mo2.55-2.65wt％，ni4.35-4.55wt％，cr11.50-12.50wt％，n3.50-5.50wt％,al0.30-0.34wt％，si0.18-0.22wt％，s不大于0.03wt％，p不大于0.02wt％，余量为fe。步骤(2)中所述的熔覆层粉末为200-300目的圆球形粉末。步骤(3)中所述的激光熔覆工艺参数包括：激光功率为1200w～1400w，扫描速度为0.01m/s，送粉器读数5(刻度)，载粉气流量380l/h～400l/h，光斑直径2mm；所述的激光熔覆采用多道搭接熔覆工艺，搭接率为40％～50％，单道熔覆层高度不大于0.5mm。激光熔覆沉淀硬化不锈钢耐磨耐蚀涂层的应用，用于航天、航空、海洋领域的大型商务机、空战机、直升机旋翼桨毂，耐磨耐蚀要求高的紧固件和承力零件。本发明具有如下优点：1、本发明通过激光熔覆技术在半奥氏体沉淀硬化不锈钢1cr15ni4mo3n上熔覆一层耐磨耐蚀熔覆层，使熔覆层与基体形成良好的金属结合，强度和硬度提高，改善其耐磨性、耐腐蚀性，提高其磨损率；2、激光熔覆技术对表面预处理要求低、熔覆工序简单，有效降低生产成本，激光熔覆部件可多次修复再使用，延长材料的使用寿命、提高部件的工作可靠性；3、激光熔覆沉淀硬化不锈钢耐磨耐蚀涂层部件在干摩擦及油润滑工况下的摩擦性能、在强酸性介质下的耐蚀性能表现优异，在航空、航天、海洋、化工等领域极端环境的应用范围广泛。附图说明图1为本发明熔覆层粉末sem形貌图，其中，(a)为低倍下粉末形貌；(b)为高倍下粉末形貌。图2本发明激光熔覆后的基体-熔覆层金相组织，其中，图(a)是激光熔覆层表层区域的显微组织，为粗大的马氏体+铁素体+少量碳化物；图(b)是冶金结合区，图中晶粒分布均匀且细小；图(c)是热影响区，以白色区域跟黑色区域以齿形交错分布，白色区域为奥氏体，黑色区域的组织是大片的树枝晶，且树枝晶较为粗大；图(d)是基体组织，可以看出回火马氏体+残余奥氏体+少量碳化物。图3为本发明的基体及熔覆层干摩擦恒速变压下磨痕sem图，其中，(a)和(b)为25n熔覆层；(c)和(d)为100n熔覆层；(e)和(f)为200n熔覆层；(g)和(h)为25n基体；(i)和(j)为100n基体(k)和(l)为200n基体；(a)图可以看到磨痕表面有许多较宽较深、大小不一的连续犁沟，(b)图可以看到磨痕中部有片状的氧化膜层，及少量氧化膜层剥落的凹坑；(c)、(e)图可以看到随着载荷的升高，犁沟现象逐渐减弱，氧化膜层不断增多，并且氧化膜层脱落的现象也更加明显。图4为本发明基体与熔覆层搭接处sem腐蚀形貌，其中，(a)为1000倍；(b)为500倍；(c)为200倍；(d)为80倍；从图中可以看到熔覆层脱落，露出搭接处有典型的应力腐蚀泥状花样，表面覆盖一层腐蚀产物，熔覆不完全仅存在搭接处；由于激光熔覆时熔覆区温度升高，基体材料自身温度不高，在冷却过程中存在着较大的温度梯度，因而在凝固过程中产生残余内应力，且在腐蚀介质中大量存在cl-，产生应力腐蚀。具体实施方式以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例1激光熔覆沉淀硬化不锈钢耐磨耐蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)基体材料预处理：将基体材料1cr15ni4mo3n沉淀硬化不锈钢制成直径12cm、高1cm的圆形钢板，先在1050℃下真空淬火并保温40min后油浴，然后在-70℃下冰冷处理并保温100min后空冷；再在350℃下回火并保温100-120min空冷出炉，回火后的基体材料结构为马氏体和少量碳化物，为后序激光熔覆做准备；其中，1cr15ni4mo3n沉淀硬化不锈钢由包含以下组分和重量百分比含量组成：c0.11wt％，mn0.5wt％，mo2.3wt％，ni4.0wt％，cr14.0wt％，n0.05wt％，si不大于0.7wt％，s不大于0.02wt％，p不大于0.03wt％，余量为fe。(2)熔覆层材料选择：熔覆层选用与步骤(1)基体材料元素相近、含量不同的粉末，为200目的规则圆球状，由包含以下组分和重量百分比含量组成：c10.65wt％,mo2.36wt％，ni4.08wt％，cr11.18wt％，n1.96wt％,al0.23wt％，si0.16wt％，s不大于0.05wt％，p不大于0.05wt％，余量为fe。(3)激光熔覆工艺：采用同步送粉激光系统方式将步骤(2)熔覆层粉末通过送粉器送入激光光束下方熔化，在步骤(1)基体表面凝固形成熔覆层，其中，激光熔覆工艺参数包括：激光功率为1200w，扫描速度为0.01m/s，送粉器读数5(刻度)，载粉气流量380l/h，光斑直径2mm；所述的激光熔覆采用多道搭接熔覆工艺，搭接率为40％，单道熔覆层高度不大于0.5mm。上述制备方法得到的激光熔覆沉淀硬化不锈钢耐磨耐蚀涂层用于航天、航空、海洋领域的大型商务机、空战机、直升机旋翼桨毂，耐磨耐蚀要求高的紧固件和承力零件。实施例2激光熔覆沉淀硬化不锈钢耐磨耐蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)基体材料预处理：将基体材料1cr15ni4mo3n沉淀硬化不锈钢制成直径12cm、高1cm的圆形钢板，先在1070℃下真空淬火并保温40-60min后油浴，然后在-75℃下冰冷处理并保温120min后空冷；再在400℃下回火并保温120min空冷出炉，回火后的基体材料结构为马氏体和少量碳化物，为后序激光熔覆做准备；其中，1cr15ni4mo3n沉淀硬化不锈钢由包含以下组分和重量百分比含量组成：c0.16wt％,mn1.0wt％，mo2.3～2.8wt％，ni5.0wt％，cr15.5wt％，n0.10wt％,si不大于0.5wt％，s不大于0.01wt％，p不大于0.02wt％，余量为fe。(2)熔覆层材料选择：熔覆层选用与步骤(1)基体材料元素相近、含量不同的粉末，为300目的规则圆球状，由包含以下组分和重量百分比含量组成：c12.50wt％,mo2.77wt％，ni4.79wt％，cr13.12wt％，n6.02wt％,al0.37wt％，si0.25wt％，s不大于0.05wt％，p不大于0.05wt％，余量为fe。(3)激光熔覆工艺：采用同步送粉激光系统方式将步骤(2)熔覆层粉末通过送粉器送入激光光束下方熔化，在步骤(1)基体材料表面凝固形成熔覆层，其中，激光熔覆工艺参数包括：激光功率为1400w，扫描速度为0.01m/s，送粉器读数5(刻度)，载粉气流量400l/h，光斑直径2mm；所述的激光熔覆采用多道搭接熔覆工艺，搭接率为50％，单道熔覆层高度不大于0.5mm。上述制备方法得到的激光熔覆沉淀硬化不锈钢耐磨耐蚀涂层用于航天、航空、海洋领域的大型商务机、空战机、直升机旋翼桨毂，耐磨耐蚀要求高的紧固件和承力零件。实施例3激光熔覆沉淀硬化不锈钢耐磨耐蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)基体材料预处理：将基体材料1cr15ni4mo3n沉淀硬化不锈钢制成直径12cm、高1cm的圆形钢板，先在1060℃下真空淬火并保温50min后油浴，然后在-72℃下冰冷处理并保温110min后空冷；再在380℃下回火并保温110min空冷出炉，回火后的基体材料结构为马氏体和少量碳化物，为后序激光熔覆做准备；其中，c0.12wt％,mn0.7wt％，mo2.5wt％，ni4.4wt％，cr14.5wt％，n0.07wt％,si不大于0.5wt％，s不大于0.01wt％，p不大于0.02wt％，余量为fe。(2)熔覆层材料选择：熔覆层选用与步骤(1)基体材料元素相近、含量不同的粉末，为220目的规则圆球状，由包含以下组分和重量百分比含量组成：c11.50wt％,mo2.55wt％，ni4.35wt％，cr11.50wt％，n3.50wt％，al0.30wt％，si0.18wt％，s不大于0.03wt％，p不大于0.02wt％，余量为fe。(3)激光熔覆工艺：采用同步送粉激光系统方式将步骤(2)熔覆层粉末通过送粉器送入激光光束下方熔化，在步骤(1)基体材料表面凝固形成熔覆层，其中，激光熔覆工艺参数包括：激光功率为1300w，扫描速度为0.01m/s，送粉器读数5(刻度)，载粉气流量390l/h，光斑直径2mm；所述的激光熔覆采用多道搭接熔覆工艺，搭接率为45％，单道熔覆层高度不大于0.5mm。上述制备方法得到的激光熔覆沉淀硬化不锈钢耐磨耐蚀涂层用于航天、航空、海洋领域的大型商务机、空战机、直升机旋翼桨毂，耐磨耐蚀要求高的紧固件和承力零件。实施例4激光熔覆沉淀硬化不锈钢耐磨耐蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)基体材料预处理：将基体材料1cr15ni4mo3n沉淀硬化不锈钢制成直径12cm、高1cm的圆形钢板，先在1060℃下真空淬火并保温50min后油浴，然后在-74℃下冰冷处理并保温115min后空冷；再在390℃下回火并保温115min空冷出炉，回火后的基体材料结构为马氏体和少量碳化物，为后序激光熔覆做准备；其中，c0.14wt％，mn0.9wt％，mo2.7wt％，ni4.6wt％，cr15.0wt％，n0.09wt％,si不大于0.5wt％，s不大于0.01wt％，p不大于0.02wt％，余量为fe。(2)熔覆层材料选择：熔覆层选用与步骤(1)基体材料元素相近、含量不同的粉末，为250目的规则圆球状，由包含以下组分和重量百分比含量组成：c12.00wt％,mo2.65wt％，ni44.55wt％，cr12.50wt％，n5.50wt％,al0.34wt％，si0.22wt％，s不大于0.03wt％，p不大于0.02wt％，余量为fe。(3)激光熔覆工艺：采用同步送粉激光系统方式将步骤(2)熔覆层粉末通过送粉器送入激光光束下方熔化，在步骤(1)基体材料表面凝固形成熔覆层，其中，激光熔覆工艺参数包括：激光功率为1350w，扫描速度为0.01m/s，送粉器读数5(刻度)，载粉气流量385l/h，光斑直径2mm；所述的激光熔覆采用多道搭接熔覆工艺，搭接率为42％，单道熔覆层高度不大于0.5mm。上述制备方法得到的激光熔覆沉淀硬化不锈钢耐磨耐蚀涂层用于航天、航空、海洋领域的大型商务机、空战机、直升机旋翼桨毂，耐磨耐蚀要求高的紧固件和承力零件。实施例5激光熔覆沉淀硬化不锈钢耐磨耐蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)基体材料预处理：将基体材料1cr15ni4mo3n沉淀硬化不锈钢制成直径12cm、高1cm的圆形钢板，先在1065℃下真空淬火并保温50min后油浴，然后在-72℃下冰冷处理并保温110min后空冷；再在380℃下回火并保温110min空冷出炉，回火后的基体材料结构为马氏体和少量碳化物，为后序激光熔覆做准备；其中，c0.13wt％,mn0.8wt％，mo2.6wt％，ni4.5wt％，cr14.8wt％，n0.08wt％,si不大于0.5wt％，s不大于0.01wt％，p不大于0.02wt％，余量为fe。(2)熔覆层材料选择：熔覆层选用与步骤(1)基体材料元素相近、含量不同的粉末，为280目的规则圆球状，由包含以下组分和重量百分比含量组成：c11.80wt％,mo2.60wt％，ni4.40wt％，cr12.00wt％，n4.50wt％,al0.32wt％，si0.20wt％，s不大于0.03wt％，p不大于0.02wt％，余量为fe。(3)激光熔覆工艺：采用同步送粉激光系统方式将步骤(2)熔覆层粉末通过送粉器送入激光光束下方熔化，在步骤(1)基体材料表面凝固形成熔覆层，其中，激光熔覆工艺参数包括：激光功率为1200w，扫描速度为0.01m/s，送粉器读数5(刻度)，载粉气流量400l/h，光斑直径2mm；所述的激光熔覆采用多道搭接熔覆工艺，搭接率为50％，单道熔覆层高度不大于0.5mm。上述制备方法得到的激光熔覆沉淀硬化不锈钢耐磨耐蚀涂层用于航天、航空、海洋领域的大型商务机、空战机、直升机旋翼桨毂，耐磨耐蚀要求高的紧固件和承力零件。结合附图说明对上述实施例1-5制备的激光熔覆沉淀硬化不锈钢耐磨耐蚀涂层的微观结构、显微硬度、力学性能、摩擦性能和耐腐蚀性能进行分析与测试，数据如表1-4所示。表11cr15ni4mo3n熔覆截面各区域显微硬度和弹性模量各个区域熔覆区结合区热影响区基体平均显微硬度/gpa7.1346.0796.046.722平均弹性模量/gpa231.84214.8208.76225.97h/e0.0310.02830.2890.0297表2拉伸性能测试各参数平均值及相对百分比表3失重实验数据时间(min)3040105190250基体腐蚀前质量(g)4.22794.14224.05834.17683.9648基体腐蚀后质量(g)4.22674.14114.05534.17033.9571基体腐蚀速率(g/min)0.0002838290.0002655590.0007392260.0015562150.00194209膜层腐蚀前质量(g)5.9295.94666.02255.81516.0524膜层腐蚀后质量(g)5.92725.94476.0175.80146.0327膜层腐蚀速率(g/min)0.0003035930.000319510.0009132420.0023559350.003254907百分比(％)107％120％124％151％168％表4浸泡腐蚀交流阻抗曲线模拟计算数据rp值结合附图和上述测试数据可以看出：(1)从表1可知从熔覆区表层粗晶区往里层细晶区硬度逐渐提高，而从细晶区到结合区硬度急剧下降，直至降到硬度最低的热影响区，再往基体粗晶区硬度又开始回升，直到基体细晶区硬度趋于稳定；熔覆区的平均显微硬度及弹性模量最大，其次分别为基体、结合区、热影响区，并且h/e值从结合区、热影响区、基体、熔覆区依次升高。(2)从表2拉伸试验数据可知，基体和熔覆层+基体联合试样为韧性断裂，虽基体塑性比熔覆层+基体联合试样高出很多，但拉伸强度和屈服强度相差无几；基体的冲击吸收功比熔覆层+基体联合试样高，说明基体的韧性较好。(3)通过摩擦磨损图片可知，熔覆层和基体在干摩擦工况条件下，低载低速时，主要以磨粒磨损和氧化磨损为主，而随着载荷、速度的升高，氧化磨损占据主要地位。(4)从表3中可以看出，激光熔覆层与不锈钢基体的腐蚀速率随时间的增加而增大，且随着时间的延长，激光熔覆层与基体的腐蚀速率的差值也越来越大，在30min时，熔覆层的腐蚀速率为基体的107％，而在250min浸泡后，熔覆层的腐蚀速率激增为基体的168％；从表4中可以看出，随着浸泡时间的增加，基体高频区的容抗弧幅值越来越小，rp值随着浸泡时间的增加越来越小，rp值越大，材料表现出的耐蚀性能越好；所以不锈钢基体的耐蚀性随着浸泡时间的延长，耐蚀性越来越差；激光熔覆层的耐蚀性随着浸泡时间的延长，耐蚀性先呈现先增大后减小的趋势，结合图4可知，激光熔覆层的腐蚀以全面腐蚀为主，伴随有少量的应力腐蚀；基体的腐蚀以点蚀为主，伴随有轻微的晶间腐蚀。虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。当前第1页12