1Cr11Ni2W2MoV钢叶片的热加工工艺与力学性能

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见到一篇关于铸锻热处理的文章。想和大家分享！
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+ t+ i; r0 l3 s6 ]0 r1 r# { 1Cr11Ni2W2MoV钢叶片的热加工工艺与力学性能molds.cn　　发布：2008-6-5 17:09:32　　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。
, |2 M4 m0 G4 H6 g- p0 s4 t; ^关键词：航空发动机叶片；力学性能；锻造；热处理
3 r% d; S- |7 U. T- B* X
3 x# T, C. ?- U9 n" g! B" x: {一、前言

5 U* u# A4 W8 O& O! D) G9 ~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。
4 X0 \( Y1 F) d' \6 C4 v  @
( |! [1 h# g) T' R8 E# J( [9 Z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］。
- L4 c; }" o+ g! ?" ?3 f% l+ ~& Y表11Cr11Ni2W2MoV钢化学成分(wt％)
元素 C Si Mn Cr Ni W Mo V S P
  e7 s! v% ^6 j6 X- {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
- P+ @9 |; R4 W2 \- f8 n复检 0.13 0.22 0.51 11.60 1.78 1.85 0.47 0.23 ／ ／
' l& C8 ^$ ^$ H- U1 q9 P( }
  p2 ]1 g" l  @表21Cr11Ni2W2MoV钢最终力学性能要求
热处理制度 力学性能≥
* ~1 S4 S( @9 C0 `4 Y3 V5 e& ?" ^淬火 回火 σb(MPa) σ0.2(MPa) δ5(%) ψ(%) HRC ak(KJ/m2)
1000～1020℃
: K2 p: t* g, H9 O) }  P油或空淬 660～690℃空冷 885 735 15 55 28.0～35.0 885
# i; }0 B( x, `, m3 g- _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
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. y1 v7 M* T( }7 f
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%。
' q) n; v" ?% T
/ x9 |- I& c9 H4 {三、工艺试验
/ E' L% J7 f: e" ]' n) @8 Y
1 A( I0 o( Q$ }% s1 s2 H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。

. Y+ J8 s2 W$ h- ~% V1.锻造工艺

0 m2 r2 P2 G: L4 D  Q1Cr11Ni2W2MoV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
, N2 x8 U- Q* Y2 A0T21-1 24×52×138 φ50×100 1.57
F1
. K' M! p# \! R" {$ S' W" ]  d# h
9 f2 n1 l( A9 w* p, S0T21-2 φ75×130 3.54
. s( ?/ J9 i- Y4 L) x5 J9 z0 O5 v F2

' b, g3 `- \: V+ a0T22-1 26×75×175 φ95×160 1.96／1.84
" D8 q$ `  E# w: P5 |9 y0 } F3

  X2 V* m; v- h, \0T22-2 φ110×120 2.63／1.84

# I: K$ [% j8 U3 V/ b% I  B0T23 24×52×115 φ65×140 2.65
F2
& e7 b! s5 b5 n6 m1 G4 k
# I  p7 n: O% |0T63 22×38×175 φ53×75 2.63
4 N# _- r7 O, `. w+ Y& Q4 _' r F1
8 _* g1 g3 @7 W/ _1 _% Y
0T64 22×40×145 φ53×65 2.50
F1



表中：F1—单个毛坯一火锻造成形。
9 D( e4 l. n. U) j7 ^; J5 XF2—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。
$ }; i- R% o. q2 a( c, m# F
; |! O7 {$ ?& s, A5 H& |1 h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。

+ E/ K3 z' k) a- u2 x) n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。

, X& O% V- ^$ m2.热处理工艺

(1)预备热处理

/ {9 V* T; L; z# U. M2 E1Cr11Ni2W2MoV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

" o/ B6 u! x* ^- p' `: ?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。
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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。
& V& N. N; M, K% w9 M$ F
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。
* Z- w) V8 A( R) j  z
四、试验结果

$ b. Q2 X/ n) _) h" N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
+ V+ @" j5 d. F" C4 K( V; ]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
9 Q( w: _' ~" d" x5 j" n! {0T23 1047 948 16 71 2074.8 35.2
0T63 1237 1008 17 69 1131.0 35.0
" A& {' Z. P/ N1 ]. S0T64 1327 1040 15 67 1190.0 36.2
( G1 P9 @% x7 c2 B
6 W6 j" S$ B' N4 r6 `
3 S( c1 k+ a8 ~. m* E4 b8 b. p" f7 i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%。

. E) ~/ e$ _, w: p0 i" }$ b5 j1.锻造对力学性能的影响

; V/ @/ ?8 `' Z  ]# s" o! [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
6 O' E# @0 r, B0 l$ a
# H8 p! z, M, t$ q2 j1 P! A4 |$ H; K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。
5 u% z5 ^: ~3 p2 `) ~
/ o5 o3 Q$ l7 u" R- z( U4 r3.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。
; J* j8 ~. ~) t( N表5δ-F含量对钢的力学性能影响
- ]% e7 m/ h" }3 y% ?! |δ-F(%) σb (MPa) σ0.2 (MPa) δ5 (%) ψ (%) ak (KJ/m2)
1 b3 B& }. S" E$ i' R! u$ P＜10 847 663 17.5 51.1 680
/ ]$ \" ]% f- h1 U～15 853 673 15.0 43.7 430
～30 815 663 15.5 41.9 190
～50 745 594 15.8 29.8 170

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六、结束语
4 q2 f  _  O3 h; `$ g4 |
  D; A' ]! z' ~9 _( x8 \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。

/ b( a" ]% r, u3 G# e作者单位：中国航空燃气涡轮研究院(621703)
7 I1 M+ D: D9 v+ U: D; S7 [' @
' @+ c5 _! @' q* f) H4 p参考文献
) B5 f; R* _2 G* O; C［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