1Cr11Ni2W2MoV屬於新型馬氏體耐熱不鏽鋼，具有良好的綜合力學性能，尤其具有優良的韌性和抗氧化性能，廣泛用於航空工業中製造600℃以下工作的發動機葉片等重要零部件。本文主要探討航空用鋼自由鍛件的熱處理工藝開發。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鏽鋼。我公司采用該材質生產的自由鍛件，主要用於生產航空發動機葉片。
產品技術要求
1Cr11Ni2W2MoV是具有優良綜合力學性能的馬氏體耐熱不鏽鋼，強度高、韌性好。1Cr11Ni2W2MoV鋼中C、Mn、Ni屬於奧氏體形成元素，而Cr、Mo、V屬於鐵素體形成元素。為避免得到較多的δ-鐵素體，在源頭原材料化學成分中即要控製奧氏體形成元素在中上限，鐵素體形成元素在中下限，熔煉爐號為A-A的化學成分含量見表1。原材料的低倍組織、非金屬夾雜物、無損檢測見表2。力學性能及高倍組織熱處理後力學性能要求：交貨狀態為固溶時效，每熱處理爐次抽取一件硬度*高、一件硬度*低的實物，測試其力學性能見表3。熱處理後高倍組織要求：馬氏體或少量δ-鐵素體，晶粒度5～8級。
1Cr11Ni2W2MoV具有良好的綜合力學性能，在航空工業中已廣泛用於製造600℃以下工作的發動機葉片、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性能的關係。工藝試驗結果表明，該鋼的力學性能主要與鍛造變形程度、尺寸效應、回火脆性和δ-F組織等因素有關。 關鍵詞：航空發動機葉片；力學性能；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鏽鋼。該鋼具有良好的綜合力學性能，在航空工業中已廣泛用於製造600℃以下工作的發動機葉片、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)與力學性能的關係。 二、原材料和工藝設備 航空1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片是重要的二級鍛件。鍛件用原材料電渣鋼熱軋棒必須符合YB675-7《航空用不鏽鋼及耐熱鋼鋼棒》和HB5270-83《航空發動機轉動件用上等上等不鏽鋼棒》等技術標準及有關所頒技術條件的規定；原材料經複檢合格，拔皮去除表麵缺陷後，方可投入使用。複檢後的化學成份見表1，葉片的力學性能應達到表2的規定[1]。
表1 1Cr11Ni2W2MoV鋼化學成分(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 |
複檢 |
0.13 |
0.22 |
0.51 |
11.60 |
1.78 |
1.85 |
0.47 |
0.23 |
/ |
/ |
表2 1Cr11Ni2W2MoV鋼力學性能要求
熱處理製度 |
力學性能≥ |
||||||
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加熱設備均采用RJX-45-9、RJX-75-13工業電爐。原材料裝爐前應徹底電爐內異物，杜絕混料，按工藝要求校驗控溫儀表；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 航空1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片熱加工工藝規範的擬定，應嚴格按照HB5024-89《航空用鋼鍛件》中的技術規定執行，達到表2要求的力學性能。1.鍛造工藝1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片鍛造工藝試驗方案如表3所示。
表3 1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片鍛造工藝試驗
葉片號 |
鍛件尺寸 |
原材料尺寸 |
變形程度 (鍛造比) |
鍛造工藝號 |
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，即預鍛後均勻切斷為三件，再加熱終鍛成形。 在高溫時，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，易於壓力加工。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。停鍛後，鍛件應置於灰箱中緩冷，防止龜裂發生。適宜的鍛造工藝規範應為：850℃預熱+(1140±20)℃始鍛+(850～900)℃終鍛/灰箱冷。 鍛件的表麵質量不允許有過燒裂紋和嚴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)的公稱加工餘量。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、縮孔、氣泡、翻皮、點針偏析和層狀斷口存在。一經發現嚴重質量問題，鍛件應予報廢。2.熱處理工藝(1)預備熱處理1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片預備熱處理即鍛後熱處理，目的是消除鍛造加工缺陷和應力，改善其組織，促使充分聚集的碳化物固溶，並可保證所要求的力學性能(布氏硬度要求d=3.70～4.30)。預備熱處理的工藝規範是：850℃預熱(視裝爐量)+(1000±10)℃正火/空冷+(740±10)℃回火/空冷或850℃預熱+(740±10)℃回火/空冷。(2)熱處理1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片熱處理正確的工藝規範為：850℃預熱(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，當加熱至1000℃時，碳化物已全部溶解，若加熱溫度過高，就會產生過多的δ-F，使鋼的性能惡化(主要是強韌性、疲勞性能、蠕變性能的降低)。因此，淬火加熱溫度應以保證既達到充分奧氏體化，但又隻產生少量的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，故對類似於航空發動機葉片毛坯的薄壁件，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十分重要的工序，將對力學性能產生顯著影響。該鋼存在二個回火脆性區((350～530)℃和(600～670)℃)是回火工藝的難點。合適的回火溫度範圍很窄，稍有偏差就會使鋼的衝擊韌性下降，所以操作時應十分謹慎。根據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性能。 四、試驗結果 經過理化檢驗測試，1Cr11Ni2W2MoV鋼葉片熱處理後的力學性能如表4所示。
熱處理工藝
兩種1Cr11Ni2W2MoV材質產品屬於自由鍛件，變形相對模鍛件小得多，采用水平擺放於料筐內裝爐，為保證固溶冷卻效果，擺放方式采用鍛件交錯疊放。熱處理設備選擇爐溫均勻性±10℃以內的電爐。熱處理：(1010±10）℃固溶油冷+(670±10）℃時效空冷。所謂固溶，即是將合金（不鏽鋼）加熱到高溫單相區恒溫保持，使過剩相（碳化物相）充分溶解到固溶體中並快速冷卻，以得到過飽和固溶體。回歸到本文1Cr11Ni2W2MoV鋼，固溶加熱溫度越高，碳化物溶解的越多，當加熱到1000℃時，碳化物已全部溶解。溫度再高，會產生過多的δ-鐵素體，經查：δ-鐵素體（簡稱δ-F）是一種富W、Mo、Cr和V且貧Mn相，是導致衝擊韌性急劇降低的主因，可通過控製鐵素體形成元素到*低限，奧氏體形成元素到*高限，加熱溫度的合理選擇等多項手段，抑製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性能。綜合上述，固溶溫度控製在1000～1020℃*為適宜，為避免產品快速冷卻導致裂紋等缺陷可將冷卻方式控製為油冷，油溫控製在50～80℃，並須配備循環冷卻設備及溫控儀。時效是比較重要的一個過程，對*終的性能產生直接影響。1Cr11Ni2W2MoV鋼存在兩個時效脆性區：(350～530）℃、(600～670）℃。按照HB 5024-1989《航空用鋼鍛件》中的技術規定，獲得本文要求的力學性能，選擇時效溫度為(660～710）℃，由於首爐裝爐量較大，綜合時效脆性區，首爐控製為670℃空冷。
