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！
- O+ C( i7 d' q9 ~% I
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 Y4 D+ E, V2 T2 G0 Q* _5 Z关键词：航空发动机叶片；力学性能；锻造；热处理
7 E. @, {4 y. H8 U. ^4 A" G' E
- a+ s" i/ r, D* `3 E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
" }  v# i# Z& @6 x$ h
% @, Y7 |; \; a! c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％)
3 z! u2 k" @& Y$ f3 ^+ U9 e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≥
$ W! \8 \+ o$ a( w  O# D淬火 回火 σb(MPa) σ0.2(MPa) δ5(%) ψ(%) HRC ak(KJ/m2)
1000～1020℃
+ `. h, M/ B/ ?5 M( @油或空淬 660～690℃空冷 885 735 15 55 28.0～35.0 885
# g$ R$ t$ W- G2 N* E7 d540～600℃空冷 1080 885 12 50 33.5～41.5 685
! J: T" w/ w, [! k" Z. @" P/ T% i: G所颁QT31-WY90-13 1080 930 12 50 40.5～33.5 685

& v! B2 t" n8 ?+ F& T9 n: U# 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%。

三、工艺试验
. A8 x" X3 ]. e6 v1 v
/ z) f1 }& k& H+ M5 q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
& u5 x5 U) W# ^' f& |6 j6 p叶片号 锻件尺寸 原材料尺寸 变形程度
" r! T% A0 R* l(锻造比) 锻造工艺号
  c& ~3 R9 {; ?) u% ^0T21-1 24×52×138 φ50×100 1.57
2 \/ V8 G8 V% x4 b/ g F1

0 g) L2 S3 ^* O; \0T21-2 φ75×130 3.54
F2

5 L: J) f. c( T* x5 T; I" q0T22-1 26×75×175 φ95×160 1.96／1.84
F3

; J* p/ B3 _+ N2 }/ F4 |2 M  I0T22-2 φ110×120 2.63／1.84
# M1 M, X6 K5 V8 G6 S
0T23 24×52×115 φ65×140 2.65
# f9 l5 s$ u6 ]5 d F2

0T63 22×38×175 φ53×75 2.63
F1
  Z8 v4 I0 D7 r+ ]1 N
9 ^2 W) ?& w/ ?( W6 D0T64 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。
' }8 @4 F) Z% Z4 DF3—二火锻造成形，即预锻后均匀切断为三件，再加热终锻成形。
4 f# T6 _3 w9 u' J' x4 A
" |6 \8 o. }' {( T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。
: T# I$ H; F% L% v  i
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。

  J* R; E" B' k, p3 V6 h, q2.热处理工艺

, u$ m: P, {  G, Y3 e& x(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
0 _- c6 a+ }. k
( z" J# H" v' l# C7 x& b8 t+ e; }( ?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。
2 U9 p8 U" P/ l, `4 A
9 V- i4 f9 S! M2 g" ]5 d8 h3 M% k1)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。
# x- U: v9 y# G; b  w# \8 w
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。
$ G- I4 J" Y2 n: H
* L# j) C3 H6 C四、试验结果
6 ]8 a$ G8 [0 }2 z
, b9 O6 [5 R) }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
8 H. D" w  S5 u# a$ [0T21-2 1180 980 15 73 1274.0 37.0
: B/ `2 v" I# m" n* A0T22-1 1173 987 15 66 1502.3 35.3
! J, l" S; r7 a2 l0T22-2 1041 956 15 60 741.4 34.7
) U0 m" f2 T% n9 K9 b  O  }2 X) s0T23 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

; g  P3 I8 P0 O* Y  k, Z+ B2 s/ d' `
9 t" G$ q6 T& G五、结果分析
& v; `& K* m' ^7 a$ J6 H. X
/ t0 a% i- W# J3 y8 G- \8 n" T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%。

; x& l8 {; w3 }2 ^$ i2 T6 Q( ]1.锻造对力学性能的影响
8 [1 V6 m# O1 ]. F8 p8 ?
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。
5 x" P3 w! i+ p* c
" r6 J( e9 u( L! S7 {1 _; N) W2.尺寸效应对力学性能的影响

/ F; z' W; F, \* E  n) V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
  G8 p% w( |( t
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”。

6 c: P9 s, T2 g4.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
1 d1 N6 q6 V( w6 j; E9 S- e; M; \* Zδ-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
) D) y3 j% E4 e* q! A0 [; u% j% y～30 815 663 15.5 41.9 190
～50 745 594 15.8 29.8 170

* G2 ], f* s4 x; r- S
六、结束语
" h( m+ Z( p  c0 n
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。
' W0 R3 L2 N: }# L5 J% _% L0 G: y
9 X+ K9 j. h; {" L) ^作者单位：中国航空燃气涡轮研究院(621703)

% [% T! d+ z1 m  i/ t参考文献
+ m5 k- D6 q% z5 R7 @［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
/ D4 i& ?. c0 Z［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