淬火、回火制度對(duì)M152合金機(jī)匣組織性能的影響

魏 鑫 ，楊 鋼 ，李昌永 ，趙興東

（1.中國(guó)航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司,沈陽110043；2.鋼鐵研究總院,北京100081）

0 引言

M152合金是1種12%Cr馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼，由13%Cr鋼發(fā)展而來，普通13%Cr鋼的應(yīng)力極限是700～800 MPa[1-2]，降低回火溫度，可提高極限應(yīng)力，但是延伸率、沖擊值和抗應(yīng)力腐蝕開裂性會(huì)降低，以致不能使用[3]。為了滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的強(qiáng)度要求，美國(guó)于20世紀(jì)80年代末研制開發(fā)出一系列強(qiáng)度更高的12Cr鋼，并已實(shí)際應(yīng)用[4-7]。M152合金通過在12Cr鋼基礎(chǔ)上添加少量合金元素提高綜合力學(xué)性能，主要添加Mo進(jìn)一步提高了抗回火性能和自硬性，具有較高的中溫抗蠕變性能、抗疲勞性能和抗腐蝕性能，及滿意的焊接性能和成型性能，可在500℃以下使用[8-13]。與其它不銹鋼相比，M152合金具有導(dǎo)熱性較好、線膨脹系數(shù)小、減振性較高等特點(diǎn)，同時(shí)能夠避免“鈦火”問題的發(fā)生，在國(guó)外已廣泛應(yīng)用于制造CMF56等發(fā)動(dòng)機(jī)的前機(jī)匣等零件，并且大量用于制造超（超）臨界機(jī)組汽輪機(jī)末級(jí)葉片及緊固件[14-16]。

隨著國(guó)產(chǎn)大型運(yùn)輸機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)的自主制造，國(guó)內(nèi)開展M152合金機(jī)匣零件的研制，某發(fā)動(dòng)機(jī)大型機(jī)匣毛坯采用該材料鍛造成形。由于屬首次應(yīng)用，對(duì)其熱處理制度與組織性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系的研究較少。本文通過分析淬火、回火熱處理制度對(duì)其性能影響，摸索大規(guī)格M152合金鍛件在不同熱處理制度下的性能特點(diǎn)，為鍛件生產(chǎn)工藝的制定及熱處理制度的選擇提供參考。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)過程

試驗(yàn)選用1Cr12Ni3Mo2VN（M152）合金機(jī)匣鍛件，其化學(xué)成分見表1。

表1 M152合金鍛件的化學(xué)成分

將M152合金機(jī)匣鍛件沿直徑方向9等分，并切取弦向力學(xué)性能試樣，分別按不同的淬火工藝和回火工藝進(jìn)行熱處理，具體工藝及試樣數(shù)量見表2。

表2 熱處理工藝

光學(xué)顯微組織觀察使用SISC-IAS-6.0圖像分析儀，試樣用10%Cr2O3電解液電解腐蝕。拉伸試驗(yàn)在WE-300型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用d0=5 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣；沖擊試驗(yàn)在JBN-300B型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用標(biāo)準(zhǔn)10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口試樣，所有數(shù)據(jù)均為2個(gè)試樣的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 淬火溫度對(duì)組織和力學(xué)性能的影響

在565℃、2 h、空冷回火制度下，淬火溫度對(duì)M152合金力學(xué)性能的影響如圖1所示。隨淬火溫度的提高，M152合金強(qiáng)度、硬度略微提高，塑性變化不大，沖擊功顯著減小，1040℃淬火后減小至80 J，1070℃淬火，雖有所增大，但仍顯著低于1010℃淬火沖擊功。由此可見，淬火溫度主要影響鍛件的沖擊韌性，對(duì)強(qiáng)度、硬度的影響不大。

圖1 淬火溫度對(duì)M152合金力學(xué)性能的影響

淬火溫度對(duì)金相顯微組織的影響如圖2所示。隨淬火溫度的提高，M152合金晶粒長(zhǎng)大，馬氏體板條發(fā)生了粗化。1040℃淬火，部分晶粒開始長(zhǎng)大，形成明顯的混晶組織，導(dǎo)致沖擊功顯著減??；1070℃下淬火，晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大，雖然組織粗化顯著，但混晶現(xiàn)象有所改善，組織均勻性得到提高，可能是沖擊功有所增大的原因。

圖2 淬火溫度對(duì)M152合金金相顯微組織的影響

2.3 淬火冷卻速度對(duì)力學(xué)性能的影響

在565℃、2 h、空冷的回火制度下，1040℃淬火冷卻速度對(duì)M152合金力學(xué)性能的影響如圖3所示。其中，淬火油冷的冷卻速度約為600℃/min，爐冷的冷卻速度約為5℃/min。

圖3 淬火冷卻速度對(duì)M152合金力學(xué)性能的影響

從圖中可見，隨1040℃固溶后的淬火冷卻速度降低，抗拉強(qiáng)度變化不大，屈服強(qiáng)度逐漸降低；延伸率變化不大，面縮率略有降低；沖擊值先增大后減??；硬度在慢速冷卻狀態(tài)的整體數(shù)值均勻，明顯低于油冷狀態(tài)。

淬火冷卻方式對(duì)M152合金金相顯微組織的影響如圖4所示。隨1040℃固溶后淬火冷卻速度的降低，金相顯微組織未見明顯變化。值得注意的是，爐冷條件下形成的板條狀馬氏體較粗且連續(xù)性與分布規(guī)律性較強(qiáng)，而如前所述，同一晶粒內(nèi)的馬氏體的排列與分布越均勻一致，合金的韌性越好，因此該種處理狀態(tài)下的斷裂韌性明顯優(yōu)于其他2種處理狀態(tài)。隨著冷卻速度進(jìn)一步降低，晶粒顯著長(zhǎng)大，強(qiáng)度、沖擊明顯下降。

圖4 淬火冷卻方式對(duì)M152合金金相顯微組織的影響

2.4 回火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

在1040℃、1h、油冷淬火制度下，回火溫度對(duì)M152合金力學(xué)性能的影響如圖5所示。隨回火溫度的升高，M152合金的強(qiáng)度與硬度值均逐漸降低，延伸率變化不大，斷面收縮率略有降低，沖擊值在585℃回火條件下大幅度增大，繼續(xù)提升回火溫度至605℃，則小幅度下滑，但仍高于565℃回火處理?xiàng)l件下的值。

圖5 回火溫度對(duì)M152合金力學(xué)性能的影響

回火溫度對(duì)M152合金金相顯微組織的影響如圖6所示。從圖中可見，M152合金的金相顯微組織看不出明顯的區(qū)別，但隨回火溫度的提高，晶粒會(huì)發(fā)生顯著回復(fù)與再結(jié)晶過程，導(dǎo)致強(qiáng)度、硬度降低。此時(shí)，合金的韌性得到顯著提升，沖擊值從80 J大幅度增大至200 J；但回火溫度過高時(shí)，則也可能存在碳化物M23C6的大量析出現(xiàn)象，而碳化物的增加以及碳化物的粗化是導(dǎo)致韌性小幅度降低的主要原因[13]。

圖6 回火溫度對(duì)M152合金金相顯微組織的影響

2.6 回火冷卻方式對(duì)M152合金力學(xué)性能的影響

在1040℃、1 h、油冷淬火制度下，565℃回火冷卻方式對(duì)M152合金力學(xué)性能的影響如圖7所示。從圖中可見，隨565℃回火后的冷卻速度降低，M152合金的屈服強(qiáng)度略有提高，但硬度值卻逐步降低，塑性變化不大，沖擊值略有增大，沒有發(fā)生顯著的脆化現(xiàn)象。

圖7 回火冷卻方式對(duì)M152合金力學(xué)性能的影響

回火后冷卻方式對(duì)M152合金金相顯微組織的影響如圖8所示。隨565℃回火后冷卻速度的降低，在2種爐冷條件下M152合金的晶粒回復(fù)長(zhǎng)大過程明顯，且組織均勻性也隨冷卻速度的減慢而增加，從而合金的沖擊值逐步增大，相比空冷的80 J，提升至120 J。晶粒的回復(fù)長(zhǎng)大也顯著降低了合金的硬度，但此時(shí)馬氏體板條處晶界析出的碳化物增加，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度不僅未出現(xiàn)明顯降低，還略有提高。

圖8 回火冷卻方式對(duì)M152合金金相顯微組織的影響

綜上所述，提高淬火溫度，強(qiáng)度、硬度、塑性變化不大，但沖擊功顯著下降，組織粗化明顯；降低淬火冷速，屈服強(qiáng)度下降明顯，采用爐冷沖擊功雖較高，但硬度下降顯著，采用1℃/min冷卻，沖擊功下降顯著；提高回火溫度，強(qiáng)度、硬度下降顯著，降低回火冷速，硬度下降顯著，因此鍛件熱處理工藝采用1010℃淬火，油冷+565回火，空冷，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度、韌性的良好匹配。

3 結(jié)論

（1）隨淬火溫度的提高，M152合金的強(qiáng)度、硬度略微提高，塑性變化不大，沖擊值降低；隨淬火冷卻速度降低，M152合金的抗拉強(qiáng)度變化不大，屈服強(qiáng)度和塑性略有降低，硬度與沖擊功變化復(fù)雜，沖擊值先升后降；硬度先降后升。

（2）隨回火溫度的提高，M152合金的強(qiáng)度、硬度、逐漸下降，延伸率變化不大，斷面收縮率略有下降，沖擊功先升后降；隨回火冷卻速度降低，M152合金的屈服強(qiáng)度略有增加，塑性變化不大，沖擊值略有增加，硬度顯著下降。

（3）M152合金鍛件熱處理工藝采用1010℃淬火、油冷+565℃回火、空冷，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度、韌性的良好匹配。

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