[发明专利]一种提高高温条件下材料微动疲劳寿命的强化方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料加工处理与金属构件表面强化应用技术领域，特指一种渗铝与激光冲击 复合处理技术改善高温疲劳条件下金属材料及合金材料的微动疲劳性能，延长工件的疲劳寿 命的方法，尤其适用于航空航天、核能、机械制造及石油化工重要热端零部件表面强化改性。

背景技术

近年来，随着石油、化工、核能及航空航天事业的蓬勃发展，对很多设备工作环境的要求 越来越苛刻，设备零件不仅要承受更加复杂的机械载荷、热载荷，而且要承受环境介质的氧化 和腐蚀作用。一些高温材料虽然具有密度小、重量轻、比强度高、耐腐蚀等优点，然而其不足 的抗氧化能力严重限制了其应用范围，因而材料的高温抗氧化能力还尚需进一步提高。目前， 有两种方法可提高材料的抗氧化能力：一种就是通过合金化的方法，另一种就是通过表面改性 的方法来提高材料的抗高温氧化能力。通过合金化方法如加入合金元素Mo、Ta、Cr、Si或W 虽然能提高材料的抗氧化能力，但由于合金元素的加入不仅严重影响合金的力学性能，而且还 大大地提高了合金的成本。因此，表面改性就成了唯一的而且实际可行的方法来提高材料的抗 氧化能力。

目前表面改性处理来提高材料的抗氧化能力的方法很多，如MCrAlY包覆涂层、渗铝涂层、 硅化物陶瓷涂层、低氧压下的预氧化层等。在众多的涂层中，由于渗铝工艺方法简单，对渗铝 过程对设备要求不高，因而被广泛的应用。材料渗铝的目的是为了提高抗氧化和抗热腐蚀性 能。通过渗铝在高温作用下形成连续致密的Al₂O₃，Cr₂O₃或混有SiO₂的保护性氧化膜，零件表面 形成的铝化物涂层具有很高的热稳定性。高温材料作为设备的关键重要热端部件，工作时既要 承受较高温度的作用，又要经受巨大而复杂的应力作用。所以，不但要求涂层具有较好的热稳 定性，而且要求涂层对基材力学性能有好的影响。

材料渗铝后表面形成的铝化物涂层具有较高的热稳定性及抗氧化性能，表现出优异的热 疲劳性能。但是渗铝过程中形成的铝化物涂层硬度较高，粗糙度增加，韧性低，而且材料在高温 环境中对微动疲劳损伤十分敏感，因此在以疲劳为主的微动疲劳过程中易发生微动疲劳损伤 失效，这已直接构成影响高温材料在设备运行中安全使用的重要因素。

本发明技术就是针对渗铝处理的缺陷，将渗铝与激光冲击强化处理这两种技术有效结合 起来，利用它们的优点来弥补各自的不足，零件材料经过渗铝处理后再对其表面进行激光冲击 强化复合处理，使其表面形成高幅残余压应力和高的位错密度，有利于降低表面摩擦系数，改 善其微动磨损性能，并提高其抗微动疲劳抗力。这样零件材料同时具有高耐磨性、抗蚀性、抗 高温氧化性能，从而提高高温条件下叶片的微动疲劳寿命。

渗铝复合处理后，在零件表面形成的铝化物涂层中产生高幅残余压应力和高的位错密度， 由于铝化物涂层具有较高的热稳定性及抗氧化性能，产生的残余压应力不会大幅释放，在高温 条件下不仅表现出良好的微动疲劳抗力，而且能使材料表面保持良好的耐腐蚀性能，有效延长 零件的服役寿命。

发明内容

本发明的目的是将渗铝与激光冲击强化处理技术有效结合起来，综合提高材料在高温环 境中的抗氧化性能及微动疲劳抗力，延长零件的高温疲劳寿命。

本发明所采取的技术方案是利用渗铝处理形成具有较高的热稳定性及抗氧化性能的铝化 物涂层，再对其进行激光冲击强化在材料表面产生高幅值残余压应力和高的位错密度，能有效 提高材料表面的微动疲劳抗力，综合改善材料的机械性能，特别能大幅度提高材料的高温疲劳 寿命、抗高温氧化性及抗腐蚀性能。具体方法如下：

1.预处理：先对材料除油、除锈清洗，然后进行热处理，适当的热处理不仅可获得较高的 强度和塑性，同时在热处理时材料表面形成一层氧化物薄膜，这层氧化物薄膜在渗铝时可起到 过渡层的作用，它可以提高材料与涂层的相容性，从而在高温氧化过程中能够提高涂层的抗裂 纹和剥落能力，提高铝化物涂层的抗氧化能力。

热处理一般为退火处理，把预处理的试样在高纯度的惰性气体保护下加热到800～1000 ℃，保温2～4小时后炉冷却至室温，它不仅可以消除或减少加工过程中产生的残余应力，而 且可提高材料的韧性。退火时在材料表面形成一层氧化物薄膜，这层氧化物薄膜在渗铝时可起 到过渡层的作用，增加基体与铝化物涂层的结合能力。