权利要求
1.一种合金材料的表面强化方法，其特征在于，包括以下步骤：
将合金材料的表面依次进行稳定化热处理和激光冲击处理，得到强化表面;
所述稳定化热处理的温度为860～890℃，保温时间为2～3h;
所述激光冲击处理的参数包括：激光器的能量为8～10J，输出波长为1064nm;
所述合金材料中铬的质量分数大于等于9%。
2.根据权利要求1所述的表面强化方法，其特征在于，所述合金材料中铬的质量分数为9～20%;所述合金材料为不锈钢或
镍基合金。
3.根据权利要求1所述的表面强化方法，其特征在于，所述稳定化热处理前，还包括预处理，所述预处理包括依次进行打磨和除污。
4.根据权利要求1所述的表面强化方法，其特征在于，所述稳定化热处理后，还包括空冷至室温。
5.根据权利要求4所述的表面强化方法，其特征在于，所述空冷至室温、激光冲击处理前，还包括第一后处理，所述第一后处理包括依次进行打磨和除污。
6.根据权利要求1所述的表面强化方法，其特征在于，所述激光冲击处理的参数包括：吸收层为黑色导电胶或
铝箔，所述吸收层的厚度为0.5～1mm;约束层为流动水，所述约束层在激光冲击位置的厚度为2～3mm，所述流动水的流速为0.2～0.8m/min。
7.根据权利要求1所述的表面强化方法，其特征在于，所述激光器的脉宽为10～20ns，光斑的尺寸为1～3mm，重复频率为1～5Hz。
8.根据权利要求7所述的表面强化方法，其特征在于，所述光斑为正方形光斑或圆形光斑，所述正方形光斑的搭接率为0～1%，所述圆形光斑的搭接率为1.2～2.8%。
9.根据权利要求1、6、7或8所述的表面强化方法，其特征在于，所述激光冲击处理的次数为1次。
10.根据权利要求1、6、7或8所述的表面强化方法，其特征在于，所述激光冲击处理后，还包括第二后处理，所述第二后处理包括依次进行除去吸收层和除污。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及制造技术领域，尤其涉及一种合金材料的表面强化方法。
背景技术
[0002]随着超临界水技术广泛应用于反应环境、发电传热和垃圾处理等实际场合，对服役在该环境中的高Cr不锈钢及高Cr镍基合金(Cr质量分数的范围为9～18wt.%)的抗高温氧化性提出更高要求。目前由于高Cr不锈钢及镍基合金抗高温氧化性普遍较差，需要火焰喷涂、高温涂层和机械喷丸等方式提高其表面抗高温氧化性。然而，火焰喷涂和高温涂层的应用不尽人意，特别是超临界发电机组中，需要材料本身进行传热，涂层的存在导致其传热能力较差。另外，机械喷丸难以形成较厚的残余压应力层，导致材料的抗高温氧化性仍需进一步提高。
发明内容
[0003]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种合金材料的表面强化方法。利用本发明的表面强化方法对合金材料的表面进行处理后，显著提高了合金材料表面的抗高温氧化性。
[0004]为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
[0005]本发明提供了一种合金材料的表面强化方法，包括以下步骤：
[0006]将合金材料的表面依次进行稳定化热处理和激光冲击处理，得到强化表面;
[0007]所述稳定化热处理的温度为860～890℃，保温时间为2～3h;
[0008]所述激光冲击处理的参数包括：激光器能量为8～10J，输出波长为1064nm;
[0009]所述合金材料中铬的质量分数大于等于9%。
[0010]优选地，所述合金材料中铬的质量分数为9～20%;所述合金材料为不锈钢或镍基合金。
[0011]优选地，所述稳定化热处理前，还包括预处理，所述预处理预处理包括依次进行打磨和除污。
[0012]优选地，所述稳定化热处理后，还包括空冷至室温。
[0013]优选地，所述空冷至室温后、激光冲击处理前，还包括第一后处理，所述第一后处理包括依次进行打磨和除污。
[0014]优选地，所述激光冲击处理的参数包括：吸收层为黑色导电胶或铝箔，所述吸收层的厚度为0.5～1mm;约束层为流动水，所述约束层在激光冲击位置的厚度为2～3mm，所述流动水的流速为0.2～0.8m/min。
[0015]优选地，所述激光器的脉宽为10～20ns，光斑的尺寸为1～3mm，重复频率为1～5Hz。
[0016]优选地，所述光斑为正方形光斑或圆形光斑，所述正方形光斑的搭接率为0～1%，所述圆形光斑的搭接率为1.2～2.8%。
[0017]优选地，所述激光冲击处理的次数为1次。
[0018]优选地，所述激光冲击处理后，还包括第二后处理，所述第二后处理包括依次进行除去吸收层和除污。
[0019]本发明提供了一种合金材料的表面强化方法。
[0020]发明人分析发现，合金材料之所以抗高温氧化性差，原因在于铬含量高的合金材料(铬的质量分数大于等于9%)中形成的氧化层保护性较差，导致Cr在超临界水中的溶出速率过大，使得合金材料的氧化速率过高，导致环境耐久性较差。本发明提供的表面强化方法中，稳定化热处理(控制温度为860～890℃)能够减少晶界含Cr碳化物数量，使Cr更多的进入晶格，在后续激光冲击处理利于形成致密的氧化层;激光冲击处理(控制激光器的能量为8～10J)能够增加晶粒度，降低晶界长度并形成压应力层和纳米晶层，形成的压应力层中位错数量多、纳米晶层厚度更厚。含Cr碳化物的减少、压应力层中位错的增加和纳米晶层厚度的增加能够在合金材料的表面快速形成均匀致密Cr2O3层，提高了Cr2O3层的保护性，降低Cr在超临界水环境中的溶出速率，进而使得合金材料在压应力状态下抗高温氧化性提高，尤其是长周期抗氧化性，从而显著提高合金材料在超临界水环境的抗高温氧化性。且本发明的表面强化方法不影响合金材料表面原始成分。另外，合金材料通过表面强化方法提高抗高温氧化性，相比直接使用抗氧化性能好的合金材料，成本更低。
附图说明
[0021]图1为实施例1中合金材料表面强化处理前后的FIB-TEM元素分布图，其中，(a)为未处理，(b)为表面强化处理后。
具体实施方式
[0022]本发明提供了一种合金材料的表面强化方法，包括以下步骤：
[0023]将合金材料的表面依次进行稳定化热处理和激光冲击处理，得到强化表面;
[0024]所述稳定化热处理的温度为860～890℃，保温时间为2～3h;
[0025]所述激光冲击处理的参数包括：激光器的能量为8～10J，输出波长为1064nm;
[0026]所述合金材料中铬的质量分数大于等于9%。
[0027]如无特殊说明，本发明所用原料均优选为市售产品。
[0028]在本发明中，所述合金材料中铬的质量分数大于等于9%，进一步优选为9～20%。在本发明中，所述合金材料优选为不锈钢或镍基合金。在本发明的一个具体实施方式中，所述不锈钢的牌号具体优选为TP347HFG、Sanicro 25、HR3C或Super304H。在本发明中，所述镍基合金的牌号具体优选为740、282、617或C-HRA-1。
[0029]所述稳定化热处理前，本发明优选还包括预处理。在本发明中，所述预处理优选包括依次进行打磨和除污。在本发明中，所述打磨优选为砂纸打磨。在本发明的一个具体实施方式中，所述砂纸打磨的砂纸的目数依次优选为200#、400#和800#。本发明对所述打磨的时间不做具体限定，只要所述打磨后，所得表面的划痕一致即可。
[0030]在本发明中，所述除污的试剂优选为乙醇，进一步优选为无水乙醇。在本发明中，所述除污优选在超声的条件下进行。本发明对所述除污的时间不做具体限定，只要能够洗掉表面残余物质即可。
[0031]所述除污后，本发明优选还包括进行吹干。
[0032]在本发明中，所述稳定化热处理的温度为860～890℃，具体优选为860℃、870℃、880℃或890℃;保温时间为2～3h，具体优选为2h、2.5h或3h。在本发明中，所述稳定化热处理的气氛优选为空气。在本发明中，所述稳定化热处理优选在马弗炉中进行。在本发明的一个具体实施方式中，所述稳定化热处理的具体过程优选为：将马弗炉的温度升至稳定化热处理的温度后，放入样品，进行稳定化热处理。
[0033]所述稳定化热处理后，本发明优选还包括空冷至室温，即将样品从马弗炉中取出，置于空气中冷却至室温。
[0034]所述空冷至室温后、激光冲击处理前，本发明优选还包括第一后处理，所述第一后处理优选包括依次进行打磨和除污。在本发明中，所述打磨优选为砂纸打磨。在本发明的一个具体实施方式中，所述砂纸打磨的砂纸的目数依次为200#、400#和800#。本发明对所述打磨的时间不做具体限定，只要打磨至合金材料的表面划痕一致即可。在本发明中，所述除污的操作和上述技术方案一致，在此不再赘述。所述除污后，本发明优选还包括吹干。
[0035]在本发明中，所述稳定化热处理能够减少晶界含Cr碳化物数量，使Cr更多的进入晶格，在后续激光冲击处理利于形成致密的氧化层。
[0036]在本发明中，所述激光冲击处理的参数包括：吸收层优选为黑色导电胶或铝箔，进一步优选为铝箔;所述吸收层的厚度优选为0.5～1mm，具体优选为0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm;约束层优选为流动水，所述约束层在激光冲击位置的厚度优选为2～3mm，具体优选为2mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm或3mm，所述流动水的流速优选为0.2～0.8m/min，具体优选为0.2m/min、0.3m/min、0.4m/min、0.5m/min、0.6m/min、0.7m/min或0.8m/min;激光器的能量为8～10J，具体优选为8J、9J或10J，输出波长为1064nm;脉宽优选为10～20ns，具体优选为10ns、11ns、12ns、13ns、14ns、15ns、16ns、17ns、18ns、19ns或20ns，光斑的尺寸优选为1～3mm，具体优选为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm或3mm，所述光斑优选为正方形光斑或圆形光斑，进一步优选为圆形光斑;所述光斑为圆形光斑时，所述光斑的尺寸是指所述圆形光斑的直径，所述光斑为正方形光斑时，所述光斑的尺寸是指所述正方形光斑的边长;所述正方形光斑的搭接率优选为0～1%，具体优选为0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%或1%;所述圆形光斑的搭接率进一步为1.2～2.8%，具体优选为1.2%、1.3%、1.4%、1.5%、1.6%、1.7%、1.8%、1.9%、2%、2.1%、2.2%、2.3%、2.4%、2.5%、2.6%、2.7%或2.8%;重复频率优选为1～5Hz，具体优选为1Hz、2Hz、3Hz、4Hz或5Hz。
[0037]在本发明中，所述激光冲击处理的次数优选为1次。
[0038]所述激光冲击处理后，本发明优选还包括第二后处理，所述第二后处理包括除去吸收层和除污。本发明对所述除去吸收层的方式不做具体限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。在本发明中，所述除污的操作优选与上述技术方案一致，在此不再赘述。
[0039]在本发明中，所述激光冲击处理能够增加晶粒度，降低晶界长度并形成压应力层和纳米晶层，形成的压应力层中位错数量多、纳米晶层厚度更厚。
[0040]本发明提供的表面强化方法，稳定化热处理能够减少晶界含Cr碳化物数量，使Cr更多的进入晶格，在后续激光冲击处理利于形成致密的氧化层;激光冲击处理能够增加晶粒度，降低晶界长度并形成压应力层和纳米晶层，形成的压应力层中位错数量多、纳米晶层厚度更厚。含Cr碳化物的减少、压应力层中位错的增加和纳米晶层厚度的增加能够在合金材料的表面快速形成均匀致密Cr2O3层，提高了Cr2O3层的保护性，降低Cr在超临界水环境中的溶出速率，进而使得合金材料在压应力状态下抗高温氧化性提高，从而显著提高合金材料在超临界水环境的抗高温氧化性。且，本发明的表面强化方法不影响合金材料表面原始成分。另外，合金材料通过表面强化方法提高抗高温氧化性，相比直接使用抗氧化性能好的合金材料，成本更低。
[0041]下面结合实施例对本发明提供的合金材料的表面强化方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
[0042]实施例1
[0043]方形试样(50×50×8mm，牌号为TP347HFG)经过200#-400#-800#的砂纸顺序至表面划痕一致，打磨后样品在无水乙醇中超声洗掉表面残余物质，待风吹干后使钢表面处于干燥状态。
[0044]在马弗炉中对试样进行稳定化热处理，稳定化热处理的温度设置为860℃，保温时间设置为2h;当马弗炉的温度达到设定温度后再对试样进行稳定化热处理。将保温完成后的试样在空气放置等待试样温度降至室温。
[0045]对稳定化热处理试样经过200#-400#-800#的砂纸顺序打磨至表面划痕一致，打磨后样品通过在无水乙醇中超声洗掉表面残余物质，待风吹干后使钢表面处于干燥状态。
[0046]对试样进行激光冲击处理：将厚度为0.5mm的铝箔作为吸收层并覆盖于样品表面，在铝箔表面加约束层流动水，调整机械臂角度，控制流动水的流速为0.5m/min，激光冲击位置的流动水形成的约束层的厚度为3mm;设置激光器的能量为8J，输出波长固定为1064nm，脉宽为20ns，激光光斑为圆形光斑，圆形光斑的直径为1mm，圆形光斑搭接率为1.5%，重复频率5Hz，激光冲击处理的次数为1次。激光冲击处理结束后，除去吸收层，然后样品在无水乙醇中超声洗掉表面残余物质，风吹干。
[0047]实施例2
[0048]方形试样(50×50×6mm，牌号为TP347HFG)经过200#-400#-800#的砂纸顺序打磨至表面划痕一致，打磨后样品在无水乙醇中超声洗掉表面残余物质，待风吹干后使钢表面处于干燥状态。
[0049]在马弗炉中对试样进行稳定化热处理稳定化热处理的温度设置为880℃，保温时间设置为3h：当马弗炉温度达到设定温度后再对试样进行稳定化热处理。将保温完成后的试样在空气放置等待试样温度降至室温。
[0050]对稳定化热处理试样经过200#-400#-800#的砂纸顺序打磨至表面划痕一致，打磨后样品在无水乙醇中超声洗掉表面残余物质，待风吹干后使钢表面处于干燥状态。
[0051]对试样进行激光冲击处理：将厚度为0.6mm的铝箔作为吸收层并覆盖于样品表面，在铝箔表面加约束层流动水，调整机械臂角度，控制流动水的流速为0.3m/min，激光冲击位置的流动水形成的约束层的厚度为2mm;设置激光器的能量为10J，输出波长固定为1064nm，脉宽为20ns，激光光斑为圆形光斑，圆形光斑的直径为2mm，圆形光斑搭接率为2%，重复频率5Hz，激光冲击处理的次数为1次。激光冲击处理结束后，除去吸收层，然后样品在无水乙醇中超声洗掉表面残余物质，风吹干。
[0052]实施例3
[0053]与实施例1的区别为稳定化热处理的温度设置为870℃。
[0054]实施例4
[0055]与实施例1的区别为稳定化热处理的温度设置为880℃。
[0056]实施例5
[0057]与实施例1的区别为稳定化热处理的温度设置为890℃。
[0058]对比例1
[0059]与实施例1的区别为稳定化热处理的温度设置为900℃。
[0060]对比例2
[0061]与实施例1的区别为稳定化热处理的温度设置为850℃。
[0062]实施例6
[0063]与实施例1的区别为激光器的能量为9J。
[0064]实施例7
[0065]与实施例1的区别为激光器的能量为10J。
[0066]对比例3
[0067]与实施例1的区别为激光器的能量为11J。
[0068]对比例4
[0069]与实施例1的区别为激光器的能量为7J。
[0070]图1为实施例1中合金材料表面强化处理前后的FIB-TEM元素分布图，其中，(a)为未处理，(b)为表面强化处理后。表面强化处理后TP347HFG氧化层中Cr2O3层厚度约为2μm，而未处理试样未发现显著Cr2O3层。
说明书附图(1)
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“合金材料的表面强化方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：华电国际电力股份有限公司莱城发电厂, 华北电力大学
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