1Cr11Ni2W2MoV屬于新型馬氏體耐熱不銹鋼，具有良好的綜合力學(xué)性能，尤其具有優(yōu)良的韌性和抗氧化性能，廣泛用于航空工業(yè)中制造600℃以下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等重要零部件。本文主要探討航空用鋼自由鍛件的熱處理工藝開發(fā)。1Cr11Ni2W2MoV鋼是在低碳的12%Cr鋼中加入大量的W、Mo、V等縮小奧氏體相區(qū)的鐵素體形成元素，使得鋼具有馬氏體相變硬化能力，所得到的一種新型馬氏體耐熱不銹鋼。我公司采用該材質(zhì)生產(chǎn)的自由鍛件，主要用于生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。
產(chǎn)品技術(shù)要求
1Cr11Ni2W2MoV是具有優(yōu)良綜合力學(xué)性能的馬氏體耐熱不銹鋼，強(qiáng)度高、韌性好。1Cr11Ni2W2MoV鋼中C、Mn、Ni屬于奧氏體形成元素，而Cr、Mo、V屬于鐵素體形成元素。為避免得到較多的δ-鐵素體，在源頭原材料化學(xué)成分中即要控制奧氏體形成元素在中上限，鐵素體形成元素在中下限，熔煉爐號(hào)為A-A的化學(xué)成分含量見表1。原材料的低倍組織、非金屬夾雜物、無(wú)損檢測(cè)見表2。力學(xué)性能及高倍組織熱處理后力學(xué)性能要求：交貨狀態(tài)為固溶時(shí)效，每熱處理爐次抽取一件硬度*高、一件硬度*低的實(shí)物，測(cè)試其力學(xué)性能見表3。熱處理后高倍組織要求：馬氏體或少量δ-鐵素體，晶粒度5～8級(jí)。
1Cr11Ni2W2MoV具有良好的綜合力學(xué)性能，在航空工業(yè)中已廣泛用于制造600℃以下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、盤、軸等重要零部件。
探討了航空1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片熱加工工藝與力學(xué)性能的關(guān)系。工藝試驗(yàn)結(jié)果表明，該鋼的力學(xué)性能主要與鍛造變形程度、尺寸效應(yīng)、回火脆性和δ-F組織等因素有關(guān)。 關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片；力學(xué)性能；鍛造；熱處理 一、前言1Cr11Ni2W2MoV鋼是在低碳的12%Cr鋼中加入大量的W、Mo、V等縮小奧氏體相區(qū)的鐵素體形成元素，使得鋼具有馬氏體相變硬化能力，所得到的一種新型馬氏體耐熱不銹鋼。該鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，在航空工業(yè)中已廣泛用于制造600℃以下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、盤、軸等重要零部件。 本文主要探討了航空1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片熱加工工藝(鍛造及熱處理)與力學(xué)性能的關(guān)系。 二、原材料和工藝設(shè)備 航空1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片是重要的二級(jí)鍛件。鍛件用原材料電渣鋼熱軋棒必須符合YB675-7《航空用不銹鋼及耐熱鋼鋼棒》和HB5270-83《航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)件用上等上等不銹鋼棒》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及有關(guān)所頒技術(shù)條件的規(guī)定；原材料經(jīng)復(fù)檢合格，拔皮去除表面缺陷后，方可投入使用。復(fù)檢后的化學(xué)成份見表1，葉片的力學(xué)性能應(yīng)達(dá)到表2的規(guī)定[1]。
表1 1Cr11Ni2W2MoV鋼化學(xué)成分(wt%)
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元素 |
C |
Si |
Mn |
Cr |
Ni |
W |
Mo |
V |
S |
P |
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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 |
|
復(fù)檢 |
0.13 |
0.22 |
0.51 |
11.60 |
1.78 |
1.85 |
0.47 |
0.23 |
/ |
/ |
表2 1Cr11Ni2W2MoV鋼力學(xué)性能要求
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熱處理制度 |
力學(xué)性能≥ |
||||||
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淬火 |
回火 |
σb(MPa) |
σ0.2(MPa) |
δ5(%) |
ψ(%) |
HRC |
ak(KJ/m2) |
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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 |
|
|
所頒QT31-WY90-13 |
1080 |
930 |
12 |
50 |
40.5～33.5 |
685 |
1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片的熱加工工藝試驗(yàn)加熱設(shè)備均采用RJX-45-9、RJX-75-13工業(yè)電爐。原材料裝爐前應(yīng)徹底電爐內(nèi)異物，杜絕混料，按工藝要求校驗(yàn)控溫儀表；為提高爐溫均勻性，可采用爐門石棉隔熱柵，有效率≥87%。 三、工藝試驗(yàn) 航空1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片熱加工工藝規(guī)范的擬定，應(yīng)嚴(yán)格按照HB5024-89《航空用鋼鍛件》中的技術(shù)規(guī)定執(zhí)行，達(dá)到表2要求的力學(xué)性能。1.鍛造工藝1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片鍛造工藝試驗(yàn)方案如表3所示。
表3 1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片鍛造工藝試驗(yàn)
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葉片號(hào) |
鍛件尺寸 |
原材料尺寸 |
變形程度 (鍛造比) |
鍛造工藝號(hào) |
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0T21-1 |
24×52×138 |
φ50×100 |
1.57 |
F1 |
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0T21-2 |
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φ75×130 |
3.54 |
F2 |
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0T22-1 |
26×75×175 |
φ95×160 |
1.96/1.84 |
F3 |
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0T22-2 |
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φ110×120 |
2.63/1.84 |
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0T23 |
24×52×115 |
φ65×140 |
2.65 |
F2 |
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0T63 |
22×38×175 |
φ53×75 |
2.63 |
F1 |
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0T64 |
22×40×145 |
φ53×65 |
2.50 |
F1 |
表中：F1—單個(gè)毛坯一火鍛造成形。F2—一火鍛造成形，再均勻切斷為三件。F3—二火鍛造成形，即預(yù)鍛后均勻切斷為三件，再加熱終鍛成形。 在高溫時(shí)，1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片的組織為奧氏體(A)及少量的δ-鐵素體(F)，具有良好的熱塑性，易于壓力加工。為避免組織粗大和δ-F含量過(guò)高，鍛造的始鍛和終鍛溫度不要太高。停鍛后，鍛件應(yīng)置于灰箱中緩冷，防止龜裂發(fā)生。適宜的鍛造工藝規(guī)范應(yīng)為：850℃預(yù)熱+(1140±20)℃始鍛+(850～900)℃終鍛/灰箱冷。 鍛件的表面質(zhì)量不允許有過(guò)燒裂紋和嚴(yán)重影響性能的其它缺陷存在；小裂紋、嵌入和成片的氧化皮必須全部；一般缺陷的存在均須保證鍛件留有≥(2)/(3)的公稱加工余量。在鍛件的斷口和酸浸試片上顯示的低倍組織，不允許有白斑、白點(diǎn)、縮孔、氣泡、翻皮、點(diǎn)針偏析和層狀斷口存在。一經(jīng)發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題，鍛件應(yīng)予報(bào)廢。2.熱處理工藝(1)預(yù)備熱處理1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片預(yù)備熱處理即鍛后熱處理，目的是消除鍛造加工缺陷和應(yīng)力，改善其組織，促使充分聚集的碳化物固溶，并可保證所要求的力學(xué)性能(布氏硬度要求d=3.70～4.30)。預(yù)備熱處理的工藝規(guī)范是：850℃預(yù)熱(視裝爐量)+(1000±10)℃正火/空冷+(740±10)℃回火/空冷或850℃預(yù)熱+(740±10)℃回火/空冷。(2)熱處理1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片熱處理正確的工藝規(guī)范為：850℃預(yù)熱(視裝爐量)+(1010±10)℃淬火/油冷+(550～570)℃回火/空冷。1)淬火1Cr11Ni2W2MoV鋼淬火加熱溫度越高，碳化物溶解得越多，當(dāng)加熱至1000℃時(shí)，碳化物已全部溶解，若加熱溫度過(guò)高，就會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的δ-F，使鋼的性能惡化(主要是強(qiáng)韌性、疲勞性能、蠕變性能的降低)。因此，淬火加熱溫度應(yīng)以保證既達(dá)到充分奧氏體化，但又只產(chǎn)生少量的δ-F為原則，以(1000～1020)℃適宜。該鋼的淬硬性和淬透性好，φ200mm的工件均可淬透，故對(duì)類似于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片毛坯的薄壁件，為避免過(guò)快的冷卻速度造成變形和開裂缺陷，采用油冷淬火效果較好。2)回火1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片的回火是一個(gè)十分重要的工序，將對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。該鋼存在二個(gè)回火脆性區(qū)((350～530)℃和(600～670)℃)是回火工藝的難點(diǎn)。合適的回火溫度范圍很窄，稍有偏差就會(huì)使鋼的沖擊韌性下降，所以操作時(shí)應(yīng)十分謹(jǐn)慎。根據(jù)1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片的工作條件，選定550～570℃的回火溫度，可以獲得好的綜合力學(xué)性能。 四、試驗(yàn)結(jié)果 經(jīng)過(guò)理化檢驗(yàn)測(cè)試，1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片熱處理后的力學(xué)性能如表4所示。
熱處理工藝
兩種1Cr11Ni2W2MoV材質(zhì)產(chǎn)品屬于自由鍛件，變形相對(duì)模鍛件小得多，采用水平擺放于料筐內(nèi)裝爐，為保證固溶冷卻效果，擺放方式采用鍛件交錯(cuò)疊放。熱處理設(shè)備選擇爐溫均勻性±10℃以內(nèi)的電爐。熱處理：(1010±10）℃固溶油冷+(670±10）℃時(shí)效空冷。所謂固溶，即是將合金（不銹鋼）加熱到高溫單相區(qū)恒溫保持，使過(guò)剩相（碳化物相）充分溶解到固溶體中并快速冷卻，以得到過(guò)飽和固溶體。回歸到本文1Cr11Ni2W2MoV鋼，固溶加熱溫度越高，碳化物溶解的越多，當(dāng)加熱到1000℃時(shí)，碳化物已全部溶解。溫度再高，會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的δ-鐵素體，經(jīng)查：δ-鐵素體（簡(jiǎn)稱δ-F）是一種富W、Mo、Cr和V且貧Mn相，是導(dǎo)致沖擊韌性急劇降低的主因，可通過(guò)控制鐵素體形成元素到*低限，奧氏體形成元素到*高限，加熱溫度的合理選擇等多項(xiàng)手段，抑制δ-F的析出，獲得完全馬氏體組織，即可獲得良好的綜合力學(xué)性能。綜合上述，固溶溫度控制在1000～1020℃*為適宜，為避免產(chǎn)品快速冷卻導(dǎo)致裂紋等缺陷可將冷卻方式控制為油冷，油溫控制在50～80℃，并須配備循環(huán)冷卻設(shè)備及溫控儀。時(shí)效是比較重要的一個(gè)過(guò)程，對(duì)*終的性能產(chǎn)生直接影響。1Cr11Ni2W2MoV鋼存在兩個(gè)時(shí)效脆性區(qū)：(350～530）℃、(600～670）℃。按照HB 5024-1989《航空用鋼鍛件》中的技術(shù)規(guī)定，獲得本文要求的力學(xué)性能，選擇時(shí)效溫度為(660～710）℃，由于首爐裝爐量較大，綜合時(shí)效脆性區(qū)，首爐控制為670℃空冷。
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