葉詩(shī)豪, 姚建華, 胡曉冬, 孔凡志, 苗建民

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310014;2.浙江工業(yè)大學(xué) 激光加工技術(shù)工程研究中心,杭州 310014)

17-4PH不銹鋼是在Cr17型不銹鋼的基礎(chǔ)上,加入Cu、Nb等強(qiáng)化元素,并靠固溶時(shí)效析出富銅相來(lái)增加強(qiáng)度的一種不銹鋼[1].由于其具有高強(qiáng)度、高韌性、高耐蝕性、高耐氧化性及優(yōu)良的可加工性等綜合性能而被廣泛應(yīng)用于大型汽輪機(jī)的葉片.

由于汽輪機(jī)葉片工作環(huán)境惡劣,在高速蒸汽和水滴沖擊下,末級(jí)葉片進(jìn)氣邊常發(fā)生斷裂和氣蝕[2].采用激光技術(shù)可以對(duì)葉片的進(jìn)氣邊進(jìn)行局部強(qiáng)化.目前,激光淬火、激光合金化、激光熔覆以及等離子滲氮或鈦等技術(shù)在汽輪機(jī)葉片上的應(yīng)用較為廣泛,使葉片表面的性能得到了一定程度的提高[3-7],但迄今為止尚未發(fā)現(xiàn)以激光為熱源對(duì)汽輪機(jī)葉片進(jìn)行固溶處理的相關(guān)報(bào)道.

以激光為熱源,對(duì)金屬材料進(jìn)行固溶熱處理,即稱為激光固溶.激光加熱可在高于常規(guī)固溶溫度下使局部合金元素的擴(kuò)散系數(shù)指數(shù)提升,使其迅速擴(kuò)散到固溶體中,然后利用激光熱處理自身的快冷特性以及外部冷卻條件實(shí)現(xiàn)快速冷卻,形成過(guò)飽和固溶體,最后在時(shí)效階段達(dá)到理想的沉淀硬化效果.基于固溶及擴(kuò)散理論,筆者對(duì)17-4PH基體進(jìn)行了激光固溶工藝試驗(yàn),并分析了激光固溶的強(qiáng)化效果、耐磨性、抗氣蝕性能以及激光固溶強(qiáng)化的機(jī)理.

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

試樣基體采用 17-4PH不銹鋼,處理狀態(tài)為:1 040℃固溶水冷,580℃下時(shí)效4 h,空冷.基體尺寸為100 mm×50 mm×5 mm,平均硬度為300 HV 0.2左右.試驗(yàn)用17-4PH不銹鋼的化學(xué)成分列于表1.

表1 試驗(yàn)用17-4PH不銹鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chem ical composition of 17-4PH stain less steel%

試驗(yàn)中采用7 kW的LEO GFT-IVB型橫流CO2激光器,波長(zhǎng)為10.6μm,金屬表面自由電子的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該波段的激光,大部分激光能量被表面自由電子反射或者吸收轉(zhuǎn)化為振動(dòng)熱能,吸收率極低,所以試驗(yàn)前要對(duì)材料進(jìn)行增加吸收處理[8].激光光斑大小為16mm×10 mm.采用紅外測(cè)溫儀在線實(shí)時(shí)檢測(cè)金屬的表面溫度.表2為激光固溶工藝的試驗(yàn)參數(shù).在表2中,Q為功率密度(kW/cm2),V為激光掃描速度(mm/min),T為激光加熱時(shí)材料的表面溫度(℃).

表2 激光固溶工藝的試驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Experimental parameters of laser solid solution

采用WTM-2E微型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn),條件為載荷200 g,主軸轉(zhuǎn)速為 800 r/m in,轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為2mm,測(cè)試時(shí)間為2 h.

采用JY 96-Ⅱ超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)作為模擬氣蝕試驗(yàn)的裝置.試樣表面先由金相研磨機(jī)和拋光機(jī)打磨光滑,然后經(jīng)KQ3200型超聲波清洗機(jī)清洗10 min,最后由AG285測(cè)微計(jì)稱重.試驗(yàn)中選用3%的NaCl溶液,每90 m in清洗和稱重各一次,并更換NaCl溶液,氣蝕總時(shí)間為10.5 h,試驗(yàn)溫度為室溫.

所有激光固溶試樣經(jīng)高溫爐在440℃下保溫4 h.試樣經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光后,利用JSM-5610LV 型掃描電子顯微鏡和能量色散譜儀檢測(cè)金屬截面的組織形貌和元素含量;采用HDX-1000型顯微硬度計(jì)在載荷為200 g、加載時(shí)間為15 s的條件下沿試樣截面層方向測(cè)試金屬硬度.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 激光固溶區(qū)的顯微結(jié)構(gòu)分析

圖1為基體17-4PH的顯微組織.在此基體上,用激光實(shí)現(xiàn)二次表面強(qiáng)化,激光產(chǎn)生的高溫必然使材料內(nèi)部各合金元素原子的振動(dòng)快速加劇,使得擴(kuò)散速度指數(shù)級(jí)提升,從而實(shí)現(xiàn)快速固溶.圖2為激光固溶層的顯微組織.從圖2可知:在固溶區(qū)形成許多板條狀馬氏體組織,因?yàn)?7-4PH不銹鋼中含C量很少(0.04%),因此形成低碳馬氏體組織.顯然,基體在激光固溶后,位錯(cuò)馬氏體密度更高,而且更為明顯.圖3為17-4PH馬氏體的能譜圖.通過(guò)對(duì)馬氏體的能譜分析可知:在17-4PH這類高合金不銹鋼中形成的馬氏體組織中,合金元素的含量都比較高,有Cr、Ni及Cu等合金元素.相關(guān)的試驗(yàn)研究表明:此類不銹鋼硬度的提升是通過(guò)時(shí)效過(guò)程加以實(shí)現(xiàn)的.這些原先固溶在馬氏體組織中的合金元素,在時(shí)效過(guò)程中能析出ε-Cu、NbC及M23C6等沉淀硬化相,其中ε-Cu為主要的沉淀硬化相[9].如果固溶時(shí)能形成高密度的位錯(cuò)馬氏體,時(shí)效后其強(qiáng)化相的析出將更為彌散,強(qiáng)化效果也將更加明顯.

圖1 基體17-4PH的顯微組織Fig.1 M icrostructure of 17-4PH substrate

圖2 激光固溶層的顯微組織Fig.2 M icrostructure of the laser streng thened layer

圖3 17-4PH馬氏體的能譜圖Fig.3 Energy spectrum ofmartensite in 17-4PH

2.2 激光固溶區(qū)的顯微硬度分析

圖4為強(qiáng)化層截面的顯微硬度分布曲線.從圖4可以看出:激光作用區(qū)的顯微硬度由表及里地降低.表面以下1.5 mm范圍內(nèi)屬于激光強(qiáng)化區(qū)(laser hardened zone,LHZ),平均硬度接近420 HV 0.2,比基體提高了40%;距表層1.5mm以下為熱影響區(qū)(heat affected zone,HAZ)及基體區(qū)域.固溶區(qū)顯微硬度得到提升主要是因?yàn)闀r(shí)效過(guò)程中強(qiáng)化相的沉淀析出.

圖4 強(qiáng)化層截面的顯微硬度分布曲線Fig.4 M icrohardness distribu tion cu rves of the laser strengthened layer

2.3 激光固溶后的表面磨損性能分析

經(jīng)磨損測(cè)試后,采用AG285測(cè)微計(jì)對(duì)經(jīng)超聲波清洗后的試樣進(jìn)行磨損失重測(cè)量.表3為基體與激光強(qiáng)化層摩擦因數(shù)和磨損量的比較.從表3可以看出:1號(hào)試樣的摩擦因數(shù)為0.41,高于激光固溶時(shí)效后的2號(hào)試樣.在磨損量方面,相對(duì)于1號(hào)基體試樣,經(jīng)激光強(qiáng)化處理后,2號(hào)試樣的磨損量降低了0.000 3 g.

表3 基體與激光強(qiáng)化層摩擦因數(shù)和磨損量的比較Tab.3 Comparison of friction coefficient and wear mass loss between substrate and laser strengthened layer

圖5為基體與激光強(qiáng)化層的摩擦因數(shù)-時(shí)間曲線.從圖5可以看出:隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng),基體的摩擦因數(shù)呈增加的趨勢(shì).比較兩者的摩擦因數(shù),激光處理后試樣的摩擦因數(shù)相對(duì)較小,到后來(lái)的穩(wěn)定磨損期,曲線趨于平直.

圖5 基體與激光強(qiáng)化層的摩擦因數(shù)-時(shí)間曲線Fig.5 Friction coefficient-tim e cu rves of substrate and laser strengthened layer

圖6為摩擦磨損的表面形貌.由圖6(a)可知:未處理表面由于硬度低,磨損嚴(yán)重,有明顯的犁溝和黏著坑,主要磨損機(jī)制為磨粒磨損和黏著磨損.從圖6(b)可知:經(jīng)激光固溶的試樣,由于更多強(qiáng)化相的析出,硬度得到進(jìn)一步提升,磨痕深度比未經(jīng)處理的試樣明顯要淺,且犁削現(xiàn)象不明顯,磨損產(chǎn)物多為片狀,主要磨損機(jī)制為黏著磨損.

圖6 摩擦磨損的表面形貌Fig.6 Morphology of grinded and w orn su rface

2.4 激光固溶后的表面抗氣蝕性能分析

圖7為基體表面和固溶層試樣的失重量-時(shí)間曲線.從圖7可以看出:經(jīng)激光強(qiáng)化處理后,表面的耐氣蝕性能比基體提高了近1倍.圖7反映了隨著時(shí)間的延長(zhǎng),氣蝕的破壞作用隨之加劇的趨勢(shì).另外,激光強(qiáng)化層的斜率比基體小,即其氣蝕率比基體小,累計(jì)損失量為基體的2/3左右.

圖7 基體表面和固溶層試樣的失重量-時(shí)間曲線Fig.7 M ass loss-time cu rves of substrate and laser strenthened layer

圖8為基體和激光強(qiáng)化層的氣蝕形貌.從圖8(a)可知:基體的氣蝕面有很多分布不均勻的、呈塊狀的氣蝕坑,由于空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊力不均勻地作用在晶體的各個(gè)晶粒上,使晶粒與晶界的連接處由于應(yīng)力集中而發(fā)生斷裂,導(dǎo)致晶粒沿晶界處脫落.材料抗氣蝕性能提高的主要原因是:材料經(jīng)激光二次固溶后,形成高密度的位錯(cuò)馬氏體組織,在時(shí)效時(shí),原先固溶在馬氏體組織中的合金元素便會(huì)以ε-Cu、NbC及M23 C6等沉淀硬化相的形式析出,更加彌散地分布在基體中,因而起到了進(jìn)一步的強(qiáng)化作用.從圖8(b)可明顯地看到:材料表面氣蝕坑較少,深度較淺,剝落程度也較輕,抗氣蝕性能得到一定程度的提高.

圖8 基體和激光強(qiáng)化層的氣蝕形貌Fig.8 Cavitation morphology of substrate and laser strengthened layer

2.5 激光固溶的機(jī)理分析

以獲得過(guò)飽和固溶體為目的的淬火通常稱為固溶熱處理.對(duì)于17-4PH低碳不銹鋼,由于其含碳量?jī)H為0.04%,碳的固溶強(qiáng)化作用不顯著,但是合金元素的固溶效果會(huì)影響到后續(xù)時(shí)效階段的沉淀硬化效果.在激光加熱過(guò)程中,激光產(chǎn)生的高溫會(huì)加劇材料內(nèi)部合金元素原子的振動(dòng)速度,促使擴(kuò)散速度指數(shù)級(jí)提升,高于常規(guī)處理的擴(kuò)散速度.由于激光作用,材料加熱快,冷卻速度也快,可以達(dá)到自淬火目的,所以控制好工藝參數(shù),既可以獲得高密度的低碳馬氏體組織,又能在高溫下使盡量多的溶質(zhì)溶入固溶體,得到過(guò)飽和固溶體,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)激光固溶.

以激光固溶工藝試驗(yàn)中的第6組參數(shù)為例,實(shí)測(cè)到的材料表層最高溫度為1 530℃,結(jié)合Ansys溫度場(chǎng)模擬和固溶深度,可得到固溶區(qū)深度在0.6 mm時(shí)的溫度為1 350℃左右.

此處有必要分析一下合金元素銅的激光固溶效果.根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算中Fe-Cu二元平衡相圖和最新的熱力學(xué)數(shù)據(jù),可計(jì)算出Cu在鐵基體中的平衡固溶度[10]:

式中:T為溫度,°C.

將此處的溫度代入式(1),可得到Cu在γ鐵中的平衡固溶度為13.6%.

Cu在γ鐵中的擴(kuò)散常數(shù)D 0為0.19 cm2/s,擴(kuò)散激活能為272 k J/mol,根據(jù)阿倫尼烏斯定律[11],可計(jì)算出在1 350℃下Cu的擴(kuò)散系數(shù):

式中:D為擴(kuò)散系數(shù);D0為擴(kuò)散常數(shù);Q為擴(kuò)散激活能;R為阿伏伽德羅常數(shù),6.023×1023m ol-1.

代入式(2)可得到在1 350℃時(shí),Cu的擴(kuò)散系數(shù)為1.75×10-13m2/s.

式中:C0為某處擴(kuò)散終止?jié)舛?C1為擴(kuò)散初始濃度;C為平均濃度;t為擴(kuò)散時(shí)間.

理論上,在1 350°C下,Cu在奧氏體中的平衡固溶度可達(dá)13.6%,但實(shí)際上,原基體中Cu含量為3.3%,所以其在奧氏體中完全溶解狀態(tài)時(shí)平均濃度為3.3%,而時(shí)效后析出的富銅相的成分接近純銅[12],假定此處的濃度為100%.根據(jù)馬氏體的寬度和Cu在1 350℃時(shí)的擴(kuò)散系數(shù),代入式(3)可以得到下式:

參考誤差函數(shù)表[11],可計(jì)算得到t=2.54 s,即經(jīng)2.54 s,Cu的擴(kuò)散距離可達(dá)1μm.根據(jù)工藝參數(shù),激光的掃描速度為150mm/min以及光斑寬度為10 mm,假定該處為恒溫,可求得同一點(diǎn)連續(xù)受激光作用的時(shí)間為4 s.所以,在激光作用的較短時(shí)間內(nèi),Cu可以完全溶入奧氏體,并完成固溶過(guò)程.由此證實(shí):激光固溶不同于傳統(tǒng)的固溶,可以在較高的溫度下使擴(kuò)散速度指數(shù)級(jí)提升,并在短時(shí)間內(nèi)完成固溶過(guò)程.

3 結(jié) 論

(1)用激光實(shí)現(xiàn)17-4PH不銹鋼二次表面固溶強(qiáng)化后,在固溶區(qū)形成許多板條狀馬氏體組織.通過(guò)對(duì)馬氏體的能譜分析可知:其中Cr、Ni及Cu合金元素的含量較高.這些原先固溶在馬氏體組織中的合金元素,在時(shí)效過(guò)程中析出強(qiáng)化相,可起到第二相強(qiáng)化的作用.

(2)激光作用區(qū)的顯微硬度由表及里地降低.由于強(qiáng)化相的析出,激光固溶區(qū)的平均顯微硬度比基體提高了40%,接近420 HV 0.2.

(3)激光固溶時(shí)效后,試樣的摩擦因數(shù)為0.37,比基體的摩擦因數(shù)0.41低,但耐磨性卻有所提高.由于更多強(qiáng)化相的析出,硬度得到進(jìn)一步提升,磨損表面磨痕深度比未經(jīng)處理的試樣明顯縮短,且犁削現(xiàn)象不明顯,磨損產(chǎn)物呈多片狀,主要磨損機(jī)制為黏著磨損.

(4)經(jīng)10.5 h的氣蝕試驗(yàn)后,激光固溶層的氣蝕率比基體小,耐氣蝕性能比基體提高了近1倍.基體的氣蝕面有很多分布不均勻的、呈塊狀的氣蝕坑,被剝蝕程度較大;經(jīng)激光固溶及時(shí)效后的試樣表面氣蝕坑深度較淺,剝落程度較輕,抗氣蝕性能得到了一定程度的提高.

(5)根據(jù)阿倫尼烏斯定律以及菲克第二定律計(jì)算出的Cu的擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散距離證明:Cu在激光作用的較短時(shí)間內(nèi)就可以完全溶入奧氏體,并完成固溶過(guò)程.

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