一种快速原位改善材料表层耐腐蚀性能的方法
阅读：1007发布：2021-02-22
专利汇可以提供一种快速原位改善材料表层耐腐蚀性能的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种快速原位改善材料表层耐 腐蚀 性能的方法，首先选用合适的激光工艺参数，利用激光冲击在材料表层引入预应 力 ；随后，利用 激光器 对前述表层进行激光 退火 处理。与其它方法相比，由于预 应力 的引入和后续的 热处理 都是通过激光加工完成的，可用来对复杂 工件 表面进行原位处理，可快速优化不规则表层的 晶界 特征分布，提高其表面抗 晶间腐蚀 性能。，下面是一种快速原位改善材料表层耐腐蚀性能的方法专利的具体信息内容。
一种快速原位改善材料表层耐腐蚀性能的方法
技术领域
背景技术
[0002] 多晶体材料的性能与其显微组织及晶界特性有着非常紧密的联系，由于晶界处往往存在较大的畸变、较多的缺陷和杂质，表面活性比晶粒内部要高，与晶界的结构密切相关的各种现象，如晶界扩散、析出、腐蚀等，经常受到晶界结构的影响。晶间碳化物在晶界上选择性析出的现象，主要是由于不同的晶界所具有的能量和结构不同所造成的。Aust和Rutter第一个利用实验手段观察到了低能 CSL (coincident site lattice) 晶界具有独特的性能。大量的研究表明低能 CSL(1≤Σ≤29) 晶界具有如下特点：1) 较低的能量；2) 对杂质原子和溶质偏析具有较低的敏感性；3)低的扩散率；4) 低的电阻系数。正是由于具有上述特性，低能CSL晶界（特别是Σ3）显现了对滑移、断裂、腐蚀和应力腐蚀裂纹、敏化和溶质偏析（平衡和非平衡）强烈的抑制作用，有的甚至是完全免疫的。低能CSL晶界在多晶材料在多晶体材料中普遍存在，它的出现频率与材料的制备过程密切相关。而自由晶界由于具有高的能量和高的移动性，常成为裂纹生长的核心和裂纹扩展的通道，从而导致晶间腐蚀裂纹和晶间应力腐蚀裂纹的出现。基于对晶界性能的了解，1984年Watanabe首次提出了“晶界设计与控制”（grain boundary design and control）的概念，指出在重合位置点阵晶界模型中，多晶体材料内部存在一些性能与一般大角度晶界（HABs）不同的低ΣCSL晶界，这种晶界的晶界失效抗力比一般大角度晶界要优越，称为“特殊晶界”（SBs），通过对晶界类型的设计和分布的控制可以达到对材料的性能的优化和提高。随后加拿大材料科学家将此概念演绎为“晶界工程” （Grain Boundary Engineering）。所谓的“晶界工程”就是通过改变合金化、形变和热处理来增加多晶体材料中特殊晶界的比例，以合理化材料的晶界特征分布，使特殊晶界能够有效地打断一般大角度晶界网络的连通性，材料的晶界失效抗力能够得到显著提高，从而使材料与晶界相关的某一种或多种使用性能得到显著改善。在过去二十年，晶界工程在材料的开发和组织性能控制中得到了广泛的应用。
[0003] 可以发现现今几乎所有研究者采用的都是预应力-退火或预应力-再结晶的热机械加工方法，其热处理都是通过传统的箱式电阻炉加热实现的，即在较高的温度下长时间地进行退火处理，极大地增加了能耗。预应力结合传统退火的方法能对块体材料整体实现晶界特征分布的控制，从而提高材料的晶间腐蚀抗力。然而材料的腐蚀破坏通常是从材料表面开始，逐渐向材料内部渗透和扩散，因此通过形变结合表面热处理的手段获得一层具有优化晶界结构的耐蚀表层，对提高材料的耐腐蚀抗力具有重要的意义。
[0004] 激光是一种可控性极强的高能密度热源，它为材料的加工和处理提供了其它常规手段无法实现的极端条件。激光冲击强化是利用高功率密短脉冲的激光辐射金属材料表面，使金属表面极薄层的金属气化后形成高温高压的等离子体，等离子体急剧膨胀爆炸产生冲击波冲击材料表面使其发生塑性变形，在表面形成残余压应力，应力/应变层厚度可达1mm。激光冲击在材料表层引入的应力分布与传统的冷轧有很大不同，冷轧变形仅仅在材料表层引入了正应变，而激光冲击在引入正应变的同时还产生一定程度的剪切应变，激光冲击引入的应变更加复杂。
[0005] 激光热处理是一种激光辅助的快速表面热处理方式，激光热处理就是利用激光照射到材料表面，由于激光照射区域单位面积上功率极高，工件无法将这部分热量迅速转移，从而使工件被照射区域迅速加热，当激光扫描结束后，由于热传导的作用，处于冷态的基体使其急速冷却，而进行的自冷淬火，从而实现的退火工艺过程。激光热处理仅对工件表层进行加热，与传统箱式电阻炉相比，是一种表面热处理技术。在激光扫描过程中，光斑能量分布呈马鞍形，所以对金属材料的热扩散有一定的补偿效果。可以沿着扫描方向形成一定区域的均匀温度场，可以用于对零件的局部热处理。相比传统的箱式电阻炉十几个小时甚至几十个小时的高能耗，激光热处理具有处理速度快、加工范围广、操作灵活的特点，可显著提高热处理效率，降低能耗，并且由于激光热处理后工件变形量小，表面光洁度高，可作为最后工序。
[0006] 激光冲击已经被广泛应用于提高材料硬度、疲劳强度和耐磨性能，激光热处理多被用于中、高碳钢材料的表面相变硬化和铁基、镍基、钴基合金材料的表面激光熔覆，国内外尚无利用激光冲击和激光热处理的联合作用的方式来控制奥氏体不锈钢表层晶界特征分布，进而快速提高不锈钢耐蚀性的报道。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于提供一种快速原位改善材料表层耐腐蚀性能的方法，从而在较短的时间和低能耗下实现对不规则形状的工件表层耐晶间腐蚀性能的提高。
[0008] 实现本发明目的的技术解决方案如下：一种快速原位提高材料表层耐腐蚀性能的方法，包括以下步骤：
[0009] 1. 将不锈钢板材固溶后水淬；
[0010] 2. 将固溶后的板材置于激光冲击设备中，对材料表面进行激光冲击，按下表调整激光冲击工艺参数：
[0011]激光脉宽/ns 光斑直径/mm 搭接率 冲击能量/J
10-30 3-5 30-50% 2-10
10-30 3-5 30-50% 2-10
[0012] 3. 将激光冲击后的板材置于激光加工系统，对激光冲击后的板材表面进行激光退火处理，按下表调整激光热处理工艺参数：
[0013]输出功率/W 扫描速度/mm·min-1 扫描次数/次
100-200 100-300 1-4
100-200 100-300 1-4
[0014] 4. 将试样进行水淬处理。
[0015] 本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）激光处理能够大大缩短热处理时间，迅速改善表层晶界特征分布，提高表层的抗腐蚀性能；（2）激光冲击和激光热处理加工范围广，适用于复杂形状零件表面原位处理；（4）激光冲击结合激光热处理的处理工艺过程能够降低能耗，减少排放；（5）整个工艺过程易于实现自动化。
附图说明
[0017] 附图1（a）为未经处理的奥氏体不锈钢的晶界特征分布图。
[0018] 附图1（b）为经过处理后的奥氏体不锈钢的晶界特征分布图。
具体实施方式
[0019] 本发明立足于晶界工程的概念，通过激光冲击来引入应变，通过后续的激光热处理来控制材料表层的晶界结构特征，从而使奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能得以提高。具体步骤如下：
[0020] 1.将实验所用的不锈钢板材在1050℃温度下固溶处理30min后水淬。
[0021] 2.在激光冲击设备中进行激光冲击处理，调整激光冲击工艺参数。
[0022] 3.然后将激光冲击后的板材置于激光加工系统，调整激光热处理工艺参数，对材料表面进行激光热处理。
[0023] 4.将试样进行水淬。
[0024] 其中激光冲击工艺参数如表1，激光热处理的工艺参数如表2：
[0025] 表1 激光冲击工艺参数
[0026]激光脉宽/ns 光斑直径/mm 搭接率 冲击能量/J
10-30 2-5 30-50% 2-10
10-30 2-5 30-50% 2-10
[0027] 表2 激光热处理工艺参数
[0028]输出功率/W 扫描速度/mm·min-1 扫描次数/次
100-200 100-300 1-4
100-200 100-300 1-4
[0029] 在以下实施例和对比例中，用特殊晶界长度百分数（%）来表示材料晶界结构特征的优化效果，值越高说明晶界优化效果越好；用再活化电流比率（%）和自腐蚀电位（V）分别来表示材料的耐腐蚀性能。再活化电流比率越低，自腐蚀电位越趋于正，说明材料的耐腐蚀性越好。
[0030] 实施例1
[0031] 利用激光冲击设备（YLSS-D25A型）对奥氏体不锈钢板进行激光冲击，激光冲击能量选择6J、8J、10J。随后，在激光加工系统（YLR-200-AC型）中对试样进行激光热处理，激光输出功率150W，激光扫描速度为200mm/min，加热完毕后立即进行水淬处理。处理试样内部的低能CSL（重位点阵）特殊晶界的比例随激光冲击能量而变化，具体测试结果见表3。
[0032] 将处理过的试样用环氧树脂和固化剂镶嵌，制备成标准的电化学腐蚀样品。于室温下在0.5M H2SO4+0.01M KSCN溶液中对样品进行动电位再活化法（EPR）实验和极化曲线测量，再活化电流比率和自腐蚀电位随激光冲击能量而变化。试样在650℃敏化2h测得的再活化电流比率和自腐蚀电位列于表3。
[0033] 表3 不同激光冲击功率的测试结果
[0034]
[0035] 实施例2
[0036] 利用激光冲击设备(YLSS-D25A型)对奥氏体不锈钢板进行激光冲击，激光冲击能量选择6J。随后，在激光加工系统（YLR-200-AC型）中对试样进行激光热处理，激光扫描速-1 -1 -1度分别为300mm·min 、200mm·min 、100mm·min ，加热完毕后立即进行水淬处理。处理试样内部的低能CSL（重位点阵）特殊晶界的比例随激光扫描速度而变化，具体测试结果见表4。
[0037] 将处理过的试样用环氧树脂和固化剂镶嵌，制备成标准的电化学腐蚀样品。于室温下在0.5M H2SO4+0.01M KSCN溶液中对样品进行动电位再活化法（EPR）实验和极化曲线测量，再活化电流比率和自腐蚀电位随激光扫描速度而变化。试样在650℃敏化2h测得的再活化电流比率和自腐蚀电位列于表4。
[0038] 表4 不同激光扫描速度的测试结果
[0039]
[0040] 注：V=100 mm·min-1一次搭接试样表面局部熔化，取熔池下部区域。
[0041] 实施例 3
[0042] 利用激光冲击设备(YLSS-D25A型)对奥氏体不锈钢板进行激光冲击，激光冲击能量选择6J。随后，在激光加工系统(YLR-200-AC型)中对试样进行激光热处理，激光扫描次数分别为200mm/min下一次、200mm/min 下两次、200mm/min和300mm/min下分别两次（共四次），加热完毕后立即进行水淬处理。处理试样内部的低能CSL（重位点阵）特殊晶界的比例随激光扫描次数而变化，具体测试结果见表5。
[0043] 将处理过的试样用环氧树脂和固化剂镶嵌，制备成标准的电化学腐蚀样品。于室温下在0.5M H2SO4+0.01M KSCN溶液中对样品进行动电位再活化法（EPR）实验和极化曲线测量，再活化电流比率和自腐蚀电位随激光扫描次数而变化。试样在650℃敏化2h测得的再活化电流比率和自腐蚀电位列于表5。
[0044] 表5 不同扫描次数的测试结果
[0045]
[0046] 对比例
[0047] 为了比较处理材料与原始材料组织和性能上的差异，取原始材料一块在1050℃固溶处理30min，随后在650℃敏化2h，然后在常温下0.5M H2SO4+0.01M KSCN溶液中进行电化学腐蚀实验，测试结果位于表3-5。可以发现，在相同敏化条件下，晶界结构优化试样的耐腐蚀性能较原材料的耐腐蚀性能得到一定改善。
[0048] 将经过本发明处理的材料制成标准金相试样，打磨、抛光、电解腐蚀后利用背散射电子衍射技术测试材料的晶界特征分布，组织中特殊晶界的比例超过60%；在相同敏化条件下，再活化电流相比于母材下降了约30%，材料的耐腐蚀性能得到一定程度地提高。
[0049] 图1（a）所示为原材料组织中晶界特征分布情况，其中特殊晶界（Σ≤29）的比例为30.08%，图1（b）所示为经过上述方法处理的材料组织中晶界特征分布情况，其中特殊晶界的比例为60.58%（工艺条件见表5），图中黑色线条代表高能自由晶界，灰色线条代表低能ΣCSL晶界。
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