摘要

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)件用優(yōu)質(zhì)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Zui終力學(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%)

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

復(fù)檢

0.13

0.22

0.51

11.60

1.78

1.85

0.47

0.23

/

/

表2 1Cr11Ni2W2MoV鋼Zui終力學(xué)性能要求

熱處理制度

力學(xué)性能≥

淬火

回火

σb(MPa)

σ0.2(MPa)

δ5(%)

ψ(%)

HRC

ak(KJ/m2)

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)徹底清除電爐內(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，Zui終達(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)

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)

0T21-1

24×52×138

φ50×100

1.57

F1

0T21-2

φ75×130

3.54

F2

0T22-1

26×75×175

φ95×160

1.96/1.84

F3

0T22-2

φ110×120

2.63/1.84

0T23

24×52×115

φ65×140

2.65

F2

0T63

22×38×175

φ53×75

2.63

F1

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清除；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)Zui終熱處理 1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片Zui終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，若加熱溫度過高，就會(huì)產(chǎn)生過多的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)℃Zui為適宜。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)Zui終力學(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，可以獲得的綜合力學(xué)性能。 四、試驗(yàn)結(jié)果 經(jīng)過理化檢驗(yàn)測試，1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片Zui終熱處理后的力學(xué)性能如表4所示。

表4 1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片Zui終熱處理后力學(xué)性能(平均值)

葉片號(hào)

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

0T63

1237

1008

17

69

1131.0

35.0

0T64

1327

1040

15

67

1190.0

36.2

五、結(jié)果分析 由表4試驗(yàn)結(jié)果可知，7種型號(hào)規(guī)格的航空1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片Zui終熱處理后的力學(xué)性能基本合格，其中OT21-1、OT21-2及OT63、OT64等4種葉片的綜合力學(xué)性能、強(qiáng)韌性；OT21-1、OT23葉片具有很高的沖擊韌性和塑性，但抗拉強(qiáng)度比HB5024-89中的技術(shù)規(guī)定低；OT22-2葉片的綜合力學(xué)性能相對(duì)較差，其韌性指標(biāo)勉強(qiáng)達(dá)到要求，抗拉強(qiáng)度低3.6%。 1.鍛造對(duì)力學(xué)性能的影響 鍛造變形程度(鍛造比)是影響綜合力學(xué)性能的重要因素之一，適宜的鍛造比應(yīng)大于2，反復(fù)鐓拔有利于破碎材料中的粗大和網(wǎng)狀碳化物，可以得到較均勻的力學(xué)性能和適中的晶粒度。 2.尺寸效應(yīng)對(duì)力學(xué)性能的影響 鍛件原材料尺寸越大，則內(nèi)部原始缺陷的幾率越大，鍛造后鋼的組織也不如小尺寸致密，故尺寸效應(yīng)越嚴(yán)重。 3.回火脆性對(duì)力學(xué)性能的影響 1Cr11Ni2W2MoV鋼出現(xiàn)的回火脆性，使沖擊韌性下降，可能與某種復(fù)雜硬化相的析出有關(guān)[2]。電子掃描分析證實(shí)，鋼在回火脆性溫度范圍內(nèi)回火，斷裂韌性K1c值呈現(xiàn)低谷，這恰與回火二次硬化峰相對(duì)應(yīng)，二次硬化峰的出現(xiàn)是因?yàn)?Cr、W、Mo、V)2C和(Cr、W、Mo、V)23C6復(fù)雜碳化物的析出所致。且在回火脆性區(qū)內(nèi)析出的碳化物都是在M基體上以薄殼形式析出的；若避開回火脆性區(qū)回火，則碳化物聚集，薄殼破裂，沖擊韌性上升。這就是的“薄殼致脆理論”。 4.δ-F含量對(duì)力學(xué)性能的影響 1Cr11Ni2W2MoV鋼通常含有少量的δ-F，含量若超過5%，橫向力學(xué)性能顯著下降(表5)。故應(yīng)對(duì)鋼的冶煉、鍛造和熱處理采取相應(yīng)措施，來降低δ-F的含量。如原材料應(yīng)采取優(yōu)質(zhì)電渣鋼熱軋棒，加強(qiáng)化學(xué)成份的復(fù)檢；鍛造和淬火加熱溫度不宜過高，以達(dá)到充分奧氏體化為原則；回火時(shí)間一要足夠，保證能使碳化物形成元素充分?jǐn)U散，二要適當(dāng)，回火時(shí)間太長無助于提高性能，有害無益，應(yīng)控制在(2.5～3.5)h為宜。

表5δ-F含量對(duì)鋼的力學(xué)性能影響

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

～30

815

663

15.5

41.9

190

～50

745

594

15.8

29.8

170

六、結(jié)束語 在熱加工工藝過程中，航空1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片的力學(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)；認(rèn)真執(zhí)行HB5024-89等有關(guān)技術(shù)規(guī)定，實(shí)施正確的熱加工工藝規(guī)范，是提高1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片的綜合力學(xué)性能，特別是控制好批量生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證。