沉淀硬化不锈钢的选区性激光固溶、合金化同步复合强化研究

针对沉淀硬化不锈钢关键部件局部失效的问题，本项目提出用激光局部加热替代整体高温加热固溶处理，实现选区性固溶，用激光合金化替代常规表面处理方法。为了避免二次加热产生的不利影响，采用两者同步处理，一次实现固溶和合金化强化。本项目以大容量汽轮机叶片材料17-4PH为主要研究对象，对工件表面实施可选区的同步固溶、合金化研究，优化设计能精确控制固溶层的位置、深度及梯度的方法，建立激光作用参数与强化层分布之间的关系理论计算模型，并通过实物试验进行验证，获得同步固溶与合金化处理的控制方法。同时，通过研究激光作用时远平衡条件下的元素扩散、析出等特征，探明其复合强化的机理，为该技术应用提供理论支持。本项目研究一方面可以达到在不改变整体性能的条件下，控制零部件局部性能的目的，弥补传统固溶热处理及表面处理工艺的不足；另一方面，有望扩展和丰富非平衡状态的固溶理论、激光表面强化理论及其应用领域。

通过为期3年的实验与研究，经本项目所有参与成员的努力，预期计划顺利完成。在激光固溶与激光合金化研究的基础上，重点对激光固溶/激光合金化复合强化17-4PH不锈钢进行了深入研究。通过理论模拟与试验研究，探索并优化了复合强化的工艺参数，包括激光功率、作用时间、合金成分等，建立起17-4PH不锈钢激光固溶合金化复合强化工艺参数（固溶处理温度场、作用时间）与强化层分布（硬化层深度、硬度分布与组织转变）的关系，获得复合强化处理控制方法。. 激光同步复合强化技术在17-4PH不锈钢基体表面生成了沿深度方向分布依次为合金化区、结合区、热影响区及固溶区的复合强化层。时效后合金化区由于Al0.28Co0.4Cr0.24W0.08等金属间化合物部分分解硬度略有下降，而固溶区因沉淀硬化相（M23C6、ε-Cu等）的析出使得其硬度显著提升。并且在几组较优参数下，强化层性能有良好表现，经同等条件下的测试，复合强化层磨损失重仅为基体的1/6，气蚀失重仅为基体的46%，其耐磨抗蚀性能得到显著提高。. 从合金元素扩散与显微组织这两个方面，获得了初步的复合强化机理：（1）合金化层的晶粒细小，尺寸在0.2μm左右；且组织中原位生成的细小硬质W2C颗粒，呈弥散分布。细晶强化与硬质相强化是合金化层强化的最主要原因。（2）固溶区中存在析出相ε-Cu与NbC颗粒，尺寸为20nm，以切过机制与位错发生交互作用；同时存在M23C6颗粒（尺寸大于40nm），以绕过机制与位错发生作用。第二相的析出使固溶区得到强化，是最主要的强化方式。（3）固溶区中的长条状逆转变奥氏体，长约0.5μm。逆转变奥氏体的产生与spinodal分解是固溶区韧化的主要原因。