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1Cr11Ni2W2MoV钢叶片的热加工工艺与力学性能 |
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摘要：探讨了航空1Cr11Ni2W2MoV钢叶片热加工工艺与力学性能的关系。工艺试验结果表明，该钢的力学性能主要与锻造变形程度、尺寸效应、回火脆性和δ-F组织等因素有关。
关键词：航空发动机叶片；力学性能；锻造；热处理
一、前言
1Cr11Ni2W2MoV钢是在低碳的12%Cr钢中加入大量的W、Mo、V等缩小奥氏体相区的铁素体形成元素，使得钢具有马氏体相变硬化能力，所得到的一种新型马氏体耐热不锈钢。该钢具有良好的综合力学性能，在航空工业中已广泛用于制造600℃以下工作的发动机叶片、盘、轴等重要零部件。
本文主要探讨了航空1Cr11Ni2W2MoV钢叶片热加工工艺(锻造及热处理)与力学性能的关系。
二、原材料和工艺设备
航空1Cr11Ni2W2MoV钢叶片是重要的二级锻件。锻件用原材料电渣钢热轧棒必须符合YB675-7《航空用不锈钢及耐热钢钢棒》和HB5270-83《航空发动机转动件用高级优质不锈钢棒》等技术标准及有关所颁技术条件的规定；原材料经复检合格，拔皮去除表面缺陷后，方可投入使用。复检后的化学成份见表1，叶片的最终力学性能应达到表2的规定［1］。 表11Cr11Ni2W2MoV钢化学成分(wt％)
| 元素 | C | Si | Mn | Cr | Ni | W | Mo | V | S | P | | 含量 | 0.10～0.16 | ≤0.60 | ≤0.60 | 10.5～12.0 | 1.40～1.80 | 1.50～2.00 | 0.35～0.50 | 0.18～0.30 | ≤0.020 | ≤0.030 | | 复检 | 0.13 | 0.22 | 0.51 | 11.60 | 1.78 | 1.85 | 0.47 | 0.23 | ／ | ／ |
表21Cr11Ni2W2MoV钢最终力学性能要求
| 热处理制度 | 力学性能≥ | | 淬火 | 回火 | σb(MPa) | σ0.2(MPa) | δ5(%) | ψ(%) | HRC | ak(KJ/m2) | 1000～1020℃
油或空淬 | 660～690℃空冷 | 885 | 735 | 15 | 55 | 28.0～35.0 | 885 | | 540～600℃空冷 | 1080 | 885 | 12 | 50 | 33.5～41.5 | 685 | | 所颁QT31-WY90-13 | 1080 | 930 | 12 | 50 | 40.5～33.5 | 685 |
1Cr11Ni2W2MoV钢叶片的热加工工艺试验加热设备均采用RJX-45-9、RJX-75-13工业电炉。原材料装炉前应彻底清除电炉内异物，杜绝混料，按工艺要求校验控温仪表；为提高炉温均匀性，可采用炉门石棉隔热栅，有效率≥87%。
三、工艺试验
航空1Cr11Ni2W2MoV钢叶片热加工工艺规范的拟定，应严格按照HB5024-89《航空用钢锻件》中的技术规定执行，最终达到表2要求的力学性能。
1.锻造工艺
1Cr11Ni2W2MoV钢叶片锻造工艺试验方案如表3所示。表31Cr11Ni2W2MoV钢叶片锻造工艺试验
| 叶片号 | 锻件尺寸 | 原材料尺寸 | 变形程度
(锻造比) | 锻造工艺号 | | 0T21-1 | 24×52×138 | φ50×100 | 1.57 | F1 | | 0T21-2 | φ75×130 | 3.54 | F2 | | 0T22-1 | 26×75×175 | φ95×160 | 1.96／1.84 | F3 | | 0T22-2 | φ110×120 | 2.63／1.84 | | 0T23 | 24×52×115 | φ65×140 | 2.65 | F2 | | 0T63 | 22×38×175 | φ53×75 | 2.63 | F1 | | 0T64 | 22×40×145 | φ53×65 | 2.50 | F1 |
表中：F1—单个毛坯一火锻造成形。
F2—一火锻造成形，再均匀切断为三件。
F3—二火锻造成形，即预锻后均匀切断为三件，再加热终锻成形。
在高温时，1Cr11Ni2W2MoV钢叶片的组织为奥氏体(A)及少量的δ-铁素体(F)，具有良好的热塑性，易于压力加工。为避免组织粗大和δ-F含量过高，锻造的始锻和终锻温度不要太高。停锻后，锻件应置于灰箱中缓冷，防止龟裂发生。适宜的锻造工艺规范应为：850℃预热+(1140±20)℃始锻+(850～900)℃终锻／灰箱冷。
锻件的表面质量不允许有过烧裂纹和严重影响性能的其它缺陷存在；小裂纹、嵌入和成片的氧化皮必须全部清除；一般缺陷的存在均须保证锻件留有≥(2)/(3)的公称加工余量。在锻件的断口和酸浸试片上显示的低倍组织，不允许有白斑、白点、缩孔、气泡、翻皮、点针偏析和层状断口存在。一经发现严重质量问题，锻件应予报废。
2.热处理工艺
(1)预备热处理
1Cr11Ni2W2MoV钢叶片预备热处理即锻后热处理，目的是消除锻造加工缺陷和应力，改善其组织，促使充分聚集的碳化物固溶，并可保证所要求的力学性能(布氏硬度要求d＝3.70～4.30)。预备热处理的工艺规范是：850℃预热(视装炉量)+(1000±10)℃正火／空冷+(740±10)℃回火／空冷或850℃预热+(740±10)℃回火／空冷。
(2)最终热处理
1Cr11Ni2W2MoV钢叶片最终热处理正确的工艺规范为：850℃预热(视装炉量)+(1010±10)℃淬火／油冷+(550～570)℃回火／空冷。
1)淬火1Cr11Ni2W2MoV钢淬火加热温度越高，碳化物溶解得越多，当加热至1000℃时，碳化物已全部溶解，若加热温度过高，就会产生过多的δ-F，使钢的性能恶化(主要是强韧性、疲劳性能、蠕变性能的降低)。因此，淬火加热温度应以保证既达到充分奥氏体化，但又只产生少量的δ-F为原则，以(1000～1020)℃最为适宜。该钢的淬硬性和淬透性好，＜φ200mm的工件均可淬透，故对类似于航空发动机叶片毛坯的薄壁件，为避免过快的冷却速度造成变形和开裂缺陷，采用油冷淬火效果较好。
2)回火1Cr11Ni2W2MoV钢叶片的回火是一个十分重要的工序，将对最终力学性能产生显著影响。该钢存在二个回火脆性区((350～530)℃和(600～670)℃)是回火工艺的难点。合适的回火温度范围很窄，稍有偏差就会使钢的冲击韧性下降，所以操作时应十分谨慎。根据1Cr11Ni2W2MoV钢叶片的工作条件，选定550～570℃的回火温度，可以获得最佳的综合力学性能。
四、试验结果
经过理化检验测试，1Cr11Ni2W2MoV钢叶片最终热处理后的力学性能如表4所示。表41Cr11Ni2W2MoV钢叶片最终热处理后力学性能(平均值)
| 叶片号 | σb (MPa) | σ0.2 (MPa) | δ5 (%) | ψ (%) | ak (KJ/m2) | HRC | | 0T21-1 | 1070 | 932 | 15 | 73 | 2047.6 | 34.0 | | 0T21-2 | 1180 | 980 | 15 | 73 | 1274.0 | 37.0 | | 0T22-1 | 1173 | 987 | 15 | 66 | 1502.3 | 35.3 | | 0T22-2 | 1041 | 956 | 15 | 60 | 741.4 | 34.7 | | 0T23 | 1047 | 948 | 16 | 71 | 2074.8 | 35.2 | | 0T63 | 1237 | 1008 | 17 | 69 | 1131.0 | 35.0 | | 0T64 | 1327 | 1040 | 15 | 67 | 1190.0 | 36.2 |
五、结果分析
由表4试验结果可知，7种型号规格的航空1Cr11Ni2W2MoV钢叶片最终热处理后的力学性能基本合格，其中OT21-1、OT21-2及OT63、OT64等4种叶片的综合力学性能最佳、强韧性最好；OT21-1、OT23叶片具有很高的冲击韧性和塑性，但抗拉强度比HB5024-89中的技术规定低；OT22-2叶片的综合力学性能相对较差，其韧性指标勉强达到要求，抗拉强度低3.6%。
1.锻造对力学性能的影响
锻造变形程度(锻造比)是影响综合力学性能的重要因素之一，适宜的锻造比应大于2，反复镦拔有利于破碎材料中的粗大和网状碳化物，可以得到较均匀的力学性能和适中的晶粒度。
2.尺寸效应对力学性能的影响
锻件原材料尺寸越大，则内部原始缺陷的几率越大，锻造后钢的组织也不如小尺寸致密，故尺寸效应越严重。
3.回火脆性对力学性能的影响
1Cr11Ni2W2MoV钢出现的回火脆性，使冲击韧性下降，可能与某种复杂硬化相的析出有关［2］。电子扫描分析证实，钢在回火脆性温度范围内回火，断裂韧性K1c值呈现低谷，这恰与回火二次硬化峰相对应，二次硬化峰的出现是因为(Cr、W、Mo、V)2C和(Cr、W、Mo、V)23C6复杂碳化物的析出所致。且在回火脆性区内析出的碳化物都是在M基体上以薄壳形式析出的；若避开回火脆性区回火，则碳化物聚集，薄壳破裂，冲击韧性上升。这就是著名的“薄壳致脆理论”。
4.δ-F含量对力学性能的影响
1Cr11Ni2W2MoV钢通常含有少量的δ-F，含量若超过5%，横向力学性能显著下降(表5)。故应对钢的冶炼、锻造和热处理采取相应措施，来降低δ-F的含量。如原材料应采取优质电渣钢热轧棒，加强化学成份的复检；锻造和淬火加热温度不宜过高，以达到充分奥氏体化为原则；回火时间一要足够，保证能使碳化物形成元素充分扩散，二要适当，回火时间太长无助于提高性能，有害无益，应控制在(2.5～3.5)h为宜。表5δ-F含量对钢的力学性能影响
| δ-F(%) | σb (MPa) | σ0.2 (MPa) | δ5 (%) | ψ (%) | ak (KJ/m2) | | ＜10 | 847 | 663 | 17.5 | 51.1 | 680 | | ～15 | 853 | 673 | 15.0 | 43.7 | 430 | | ～30 | 815 | 663 | 15.5 | 41.9 | 190 | | ～50 | 745 | 594 | 15.8 | 29.8 | 170 |
六、结束语
在热加工工艺过程中，航空1Cr11Ni2W2MoV钢叶片的力学性能主要与锻造变形程度、尺寸效应、回火脆性和δ-F组织等因素有关；认真执行HB5024-89等有关技术规定，实施正确的热加工工艺规范，是提高1Cr11Ni2W2MoV钢叶片的综合力学性能，特别是控制好批量生产时产品质量的重要保证。
作者单位：中国航空燃气涡轮研究院(621703)
参考文献
［1］颜鸣皋，师昌绪等.中国航空材料手册.北京：中国标准出版社，1998：658～670
［2］黄春峰.1Cr17Ni2钢叶片热处理工艺的优化.金属热处理，1992(3)：37～38(end)
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(6/10/2007) |
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