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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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。
关键词：航空发动机叶片；力学性能；锻造；热处理
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9 R5 N" t- ^! f一、前言
8 \5 ]8 `, O, Q
. z' ]. g5 T0 J- A5 z; b7 V1Cr11Ni2W2MoV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

5 w  l* l  o8 r: J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％)
  c! N) y8 s$ I0 O  q& o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 ／ ／

  L; o$ d' y( D: }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)
+ e( G9 l' z% B' U- {* I3 ?9 ]1000～1020℃
油或空淬 660～690℃空冷 885 735 15 55 28.0～35.0 885
- r) j$ T9 N8 Z- J* W" O/ b540～600℃空冷 1080 885 12 50 33.5～41.5 685
: @& ^5 N% \( S5 k所颁QT31-WY90-13 1080 930 12 50 40.5～33.5 685
) H4 B4 o0 `/ k) @

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%。
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7 L$ R# X; d8 L3 `) {三、工艺试验

0 x8 J6 _9 l; U* H4 o/ C% K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。

$ p6 [* [7 [3 B8 R' _: e: U1.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
: t' D% C. ^% A; [: C8 \/ p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

! P$ e9 f" x& |3 o, ^0T21-2 φ75×130 3.54
: G0 T" Y: T$ c# h) w F2
3 A3 Y5 W$ @5 q. J: C
0T22-1 26×75×175 φ95×160 1.96／1.84
( S9 n) b5 {7 b2 V, U0 U" e F3

% R9 M& p2 Y1 p  Z1 F! k0T22-2 φ110×120 2.63／1.84

0T23 24×52×115 φ65×140 2.65
' f' E% C" w  p3 F F2

0T63 22×38×175 φ53×75 2.63
# S! a# j5 F' E" [0 f: p/ t& ?& G, ` F1

0T64 22×40×145 φ53×65 2.50
F1

1 n- l! j8 \1 q6 y8 R, C. m
9 M- T  h$ J0 r/ @2 _9 D: i1 p  R
2 V4 G2 Y6 t9 W5 ^# r9 t( K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。
* R( _% Y$ b/ v$ J- ~0 RF3—二火锻造成形，即预锻后均匀切断为三件，再加热终锻成形。
2 i5 c* l! Z$ r) b3 z$ d2 _
& A+ r9 G$ @# k1 b+ i$ f/ k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。
4 \! B, w  @$ j/ M
! S  ?. ~# v$ P- F' M6 J& f1 W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

8 e  L5 m( Q6 P7 G(1)预备热处理

8 h; F3 L: a7 \9 ^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

, z( X+ z" m7 h3 B0 R1Cr11Ni2W2MoV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。
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( }/ V0 z) C; Z, V# [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。
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四、试验结果
! W5 T. q% }) q% M
& L) C4 [5 C" q+ D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
2 v( I7 H3 z) o, Q( ?1 h: a) \0T63 1237 1008 17 69 1131.0 35.0
$ Z" z: C' b$ y8 Y3 m; W; \0T64 1327 1040 15 67 1190.0 36.2

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五、结果分析
5 v. P  D/ B0 N1 B% X4 k
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%。
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$ ^1 O6 v+ R  m' ?# L- u) y1.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。
& b9 Z) C1 S' x, A. L, w- {1 j% r
) [: @# M- g% g* `7 ~& d2.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。

# B( c- `6 b* A. {' |: a3.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”。
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4.δ-F含量对力学性能的影响

: d5 K8 a# z6 S# J% V9 U1Cr11Ni2W2MoV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。
* b2 t& I- R- v; f9 v; b' C  s. a表5δ-F含量对钢的力学性能影响
% |7 [1 Q; l2 P, U1 ?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
4 j+ u3 q1 u' T6 D～30 815 663 15.5 41.9 190
～50 745 594 15.8 29.8 170
2 z9 o5 ]9 m$ R! ?) U  X
, s$ S4 h4 N+ J8 d
+ ~8 h7 ^; K  r# S6 V- k六、结束语

# g- i: v; C$ k  G" |0 p8 l; T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。

  l  \! m2 r4 ~5 ?作者单位：中国航空燃气涡轮研究院(621703)

& [5 g3 [8 a- r7 M% a& A( o参考文献
* e5 A5 Q9 I8 g: ~6 p［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