1Cr11Ni2W2MoV
1Cr11Ni2W2MoV钢叶片的热加工工艺与力学性能
来源:模具网 编辑：tjsdggc
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 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 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％)
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≥
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
所颁QT31-WY90-13
1080
930
12
50
40.5～33.5
685
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 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
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
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—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。 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。 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。 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 (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 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。 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。 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。 四、试验结果 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
0T63
1237
1008
17
69
1131.0
35.0
0T64
1327
1040
15
67
1190.0
36.2
五、结果分析 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%。 1.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。 2.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。 3.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”。 4.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
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、结束语 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。