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见到一篇关于铸锻热处理的文章。想和大家分享！ 1 E8 X; W, g" t
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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。 , X7 Y' m3 D3 Q, X0 f4 b! I
关键词：航空发动机叶片；力学性能；锻造；热处理 ' d2 ?& X0 a* T) S' h3 F- m8 ^8 \3 \ ~
, j/ G, W5 p- o9 m: B9 @6 r一、前言
2 o8 M2 ]4 J# I0 g& f* u: q- w7 I6 h# t) m& F
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。
( Q) m5 w8 K& }
]1 ]5 Q# q1 j# }7 j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。
- K2 p* B* A# ?7 a; p0 d* f& F
: [- m2 y( F. L1 U1 m9 c二、原材料和工艺设备
- g7 m5 X. x9 V. b9 [" J
$ `/ {1 F, P7 ~# |2 ]+ v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］。
' b+ _9 ~3 G: O z% I表11Cr11Ni2W2MoV钢化学成分(wt％)
6 P A: L, ]; X! d元素 C Si Mn Cr Ni W Mo V S P % Z6 u. x# o. r1 K0 z Q( k% }
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 ( ^" [: e$ f; U: _% A1 g# W: _7 @
复检 0.13 0.22 0.51 11.60 1.78 1.85 0.47 0.23 ／ ／ : o, O7 |* V$ k9 ~' K: I
4 P G0 s2 H8 \' p% e) G' D/ ^5 @2 a
表21Cr11Ni2W2MoV钢最终力学性能要求 g5 O% S% ^! ?9 e9 A
热处理制度 力学性能≥ 2 T& g% N: W0 e% X0 I- l
淬火 回火 σb(MPa) σ0.2(MPa) δ5(%) ψ(%) HRC ak(KJ/m2)
# [. a" w/ f- ~) k; S) }1000～1020℃
o9 ~+ N1 C+ x" C: e$ F9 o0 D油或空淬 660～690℃空冷 885 735 15 55 28.0～35.0 885 ( l# v# D N# P t: E! n6 g) r8 W- m
540～600℃空冷 1080 885 12 50 33.5～41.5 685
* J9 D' n9 I) U# Y! Q所颁QT31-WY90-13 1080 930 12 50 40.5～33.5 685 3 O" ~6 [: H& D1 W: \
) J6 p) u, v* K+ a2 B/ s8 ~
: ?: b0 e: D2 |/ K, g, I2 o/ a9 u5 r2 V& x1Cr11Ni2W2MoV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%。 3 [+ g; D& d& C! J
/ E( V7 o' \2 V2 f
三、工艺试验 3 c( Y# S+ n9 j2 G* \
+ B! U2 ~6 l, M# @8 r( q( 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。
8 [: L1 F e& r+ u
# v' }) V; v( |. t( I4 z% ^* Q+ \* d( j1.锻造工艺
/ ?& T* Q& _/ U6 c+ |9 K" X+ ?- Q4 I' h+ g% m
1Cr11Ni2W2MoV钢叶片锻造工艺试验方案如表3所示。
, M3 a( j3 z. H* B- `" s表31Cr11Ni2W2MoV钢叶片锻造工艺试验
% j6 |# f0 ]* x5 ?7 k叶片号 锻件尺寸 原材料尺寸 变形程度& t% Q7 }8 V# S, h3 ]) d0 `
(锻造比) 锻造工艺号
9 H; W8 E$ k3 Q3 Q0T21-1 24×52×138 φ50×100 1.57
# F) s4 a6 ]* _: _/ G F1
3 f3 b( k) Q6 v. [7 R8 _ 9 m7 z0 V0 b8 H. t
0T21-2 φ75×130 3.54
; B( N( U6 j6 z: }1 _0 H F2. g, A5 {' x" L; c, d
/ v% @' \% i4 L7 p0T22-1 26×75×175 φ95×160 1.96／1.84! J: M* {/ w0 l8 [2 i, E
F38 k2 ?1 `9 v2 f) n, u6 n
- m8 }! q5 K4 m0T22-2 φ110×120 2.63／1.84
$ x6 S3 G+ p D% \$ u 9 F) l0 }) M1 T* ?! V# @
0T23 24×52×115 φ65×140 2.65
. b8 P/ O% q, p `1 P- H F22 C, ~8 m' z' r! A& v7 Y
) Y7 N- i/ X2 _4 w6 Y- N0 a
0T63 22×38×175 φ53×75 2.63) U( Z' K& I) f0 x: W
F1
3 J& g+ N9 Q7 X& {/ N% P& [ " V T! P2 X1 D V2 x% m7 [
0T64 22×40×145 φ53×65 2.50) o! }2 j l2 z: J
F1
. ^# Z) `1 f* k9 s1 [5 E
+ u/ D/ N3 X1 K' c9 `$ i: |5 x! K D, E! g& N% P/ I8 A$ Y" w/ b
2 u ?3 Q+ s2 T9 H! o3 ~$ U1 j2 }* {表中：F1—单个毛坯一火锻造成形。
: N, D2 I7 K5 }5 j, s" G2 hF2—一火锻造成形，再均匀切断为三件。 : l, U$ j+ q; {7 N t" L* W
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。 * C" W: W" Z' i
7 ]! M6 X( `# v. q# a5 @4 K3 c
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。
, W& v# F( e. I
4 i6 k! u) w. {1 l. y9 K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。
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' t: g& b& G6 s5 }" b2.热处理工艺
* s' S# u) t; `* I0 U6 r1 f/ g. l7 E. |! ?5 z9 v$ m2 E- \
(1)预备热处理 $ g1 S$ M) m- |- h5 t$ D+ s+ ^) H) Y
# o" _2 b; l2 {7 j1Cr11Ni2W2MoV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。 6 J6 x9 ]. P( K4 l8 ~
# z( X5 L, s6 h5 l(2)最终热处理
- e+ r$ V) x( d; m) _1 j w- J' k
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。
# ]; G, V: m4 B) H5 R1 K4 m) a1 D) x( p
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。 ( i) `) V' {, I+ @/ D
2 q: ?: I" C. E$ ~0 _0 f2 G$ i. z2)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。
2 K! l2 b( ~% _
5 ^0 i' _3 A# S: W/ D四、试验结果 * T! i; {9 E' M
7 K5 z! j6 A9 Y+ {3 m) g
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。4 x! D, \; M+ b
表41Cr11Ni2W2MoV钢叶片最终热处理后力学性能(平均值)
L/ a: q& H$ U, [! j$ \5 d2 ?叶片号 σb (MPa) σ0.2 (MPa) δ5 (%) ψ (%) ak (KJ/m2) HRC $ Y6 r; M* d# G- G$ D; C
0T21-1 1070 932 15 73 2047.6 34.0 # N4 A; l {) e( {5 z, l
0T21-2 1180 980 15 73 1274.0 37.0 ' ~# N! W ]; Q1 k9 ~6 w( Y) O3 C
0T22-1 1173 987 15 66 1502.3 35.3
' [; R0 D! Y3 N& H/ a0 r0T22-2 1041 956 15 60 741.4 34.7
4 _# }! f% [+ n0 x* Q& {0T23 1047 948 16 71 2074.8 35.2 # G2 c) X* Z1 I+ a* `
0T63 1237 1008 17 69 1131.0 35.0 5 }# D2 B7 x' @* b+ b- N
0T64 1327 1040 15 67 1190.0 36.2 # m/ e7 y8 T5 b
' {2 t0 i% f- \8 N! Y- \ m) Y
& I, n5 O/ U" o6 ^; v五、结果分析
' }; T8 J4 H3 y
( h, v4 S, |' W# o$ r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%。 ) V6 k- R" j' w4 ]1 @/ K
/ v7 j2 ?) X$ u7 C, T: n
1.锻造对力学性能的影响
5 p, m4 v7 ~$ v8 Z M Y( N& z) [3 v5 o. w4 D
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。
7 o& k- w& O! ]; E7 t
* X& r! W( r. L8 u/ {- r8 z" i2.尺寸效应对力学性能的影响 ) U- d# [% K! R
: D9 b% |! @. }
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。
; ^$ W w/ L0 y
% P; i1 D% K: K0 ]8 g, D \+ d3.回火脆性对力学性能的影响 $ \2 }' ]7 ]! B$ y! Y0 t2 P$ l
) U. y2 W d# B2 O6 ?5 D! I
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”。 / C G5 _, n! x( M9 t2 m; E1 W
. g. X/ C1 p. s, ]- [) W( h4 `4.δ-F含量对力学性能的影响 2 Y+ _' H6 y2 O
/ o1 X1 ]( Z* J h( H s
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。
; u7 d+ d& Y( m8 }; d* L表5δ-F含量对钢的力学性能影响 3 T' @& b0 ^7 H( Q$ V' L
δ-F(%) σb (MPa) σ0.2 (MPa) δ5 (%) ψ (%) ak (KJ/m2) 7 M! u5 r. E$ D) L5 q7 z4 Z, I* R! b
＜10 847 663 17.5 51.1 680 / ^7 Y5 \" n9 x# k; _( T* H
～15 853 673 15.0 43.7 430
' {2 C. t! }: z, U# w～30 815 663 15.5 41.9 190 6 S* U- z6 X8 N9 \) V
～50 745 594 15.8 29.8 170 ( i6 e. \ i6 A4 @
5 X, f' J3 @2 y* k
3 b- n0 T" v9 K. N$ X) S: ^. q& Z/ b X
六、结束语
7 @/ {( X% v% j+ O$ I' q: @
% }& ?0 k) Y2 N; A& s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。 9 _" I: y- q. s. O
) ]% |# n6 u2 ?1 N+ Q+ M作者单位：中国航空燃气涡轮研究院(621703)
9 r) x1 @; B, P- H7 y% B6 v) ]% l# a$ K$ u( T$ h4 Y5 v
参考文献 1 t" w4 P$ L0 y
［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 ! e$ D, c4 |4 a5 l% J8 V+ b" u7 ~
［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 |
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发表于 2008-10-28 21:20:48