馬氏體不銹鋼研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

韓慢慢 江濤 蒲博瑋

摘 要：馬氏體不銹鋼是一種可以通過(guò)熱處理來(lái)調(diào)整性能的鋼，具有高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、耐磨和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在工程領(lǐng)域中。本文闡述了馬氏體不銹鋼的合金化與熔煉現(xiàn)狀，熱處理對(duì)馬氏體不銹鋼的力學(xué)性能的影響，馬氏體不銹鋼的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能以及本構(gòu)方程的研究現(xiàn)狀，渦輪盤的失效類型等，并對(duì)馬氏體不銹鋼及渦輪盤件未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：馬氏體不銹鋼熱處理力學(xué)性能渦輪盤

Research Status and Development Trend of Martensitic Stainless Steel

HAN ManmanJIANG TaoPU Bowei

（School of Materials Science and Engineering， Xi’an Shiyou University， Xi’an ， Shaanxi Province，710065 China）

Abstract： Martensitic stainless steel is a kind of steel whose properties can be adjusted by heat treatment. It has the advantages of high strength， high hardness， high toughness， wear resistance and corrosion resistance.Therefore， it is widely used in the field of engineering. This paper describes the current situation of alloying and melting of martensitic stainless steel， the influence of heat treatment on the mechanical properties of martensitic stainless steel， the research status of dynamic mechanical properties and constitutive equation of martensitic stainless steel， and the failure types of turbine disk， and looks forward to the future development trend of martensitic stainless steel and turbine disk.

Key Words： Martensitic stainless steel; Heat treatment; Mechanical properties; Turbine disk

馬氏體不銹鋼具有高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、耐磨和耐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、石油化工、航海、高鐵等行業(yè)中起到至關(guān)重要的作用。例如，超級(jí)13Cr馬氏體不銹鋼是一種基于Fe-Cr-Ni-Mo系統(tǒng)的低碳馬氏體不銹鋼，由于其具有韌性、焊接性、耐蝕性、易熱處理性和相對(duì)較低的價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作高溫高壓油氣田的油管鋼[1]。440C是馬氏體不銹鋼中最硬的鋼，高達(dá)17 wt.%的高鉻含量增強(qiáng)了該鋼的耐腐蝕性，適用于重型應(yīng)用，包括閥門組件、座圈、滾珠軸承、量塊和汽車零件[2]。410馬氏體不銹鋼又被稱為抗蠕變合金鋼，適用于直接暴露在高溫和高壓力的環(huán)境中渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子及其附屬物[3]。低碳超級(jí)馬氏體不銹鋼與傳統(tǒng)等級(jí)的馬氏體不銹鋼相比，特別適用于深井和熱油氣井的開(kāi)發(fā)，因?yàn)樗哂懈玫目煽啃?、機(jī)械性能和高耐腐蝕性。本文闡述了馬氏體不銹鋼的合金化與熔煉現(xiàn)狀，熱處理對(duì)馬氏體不銹鋼的力學(xué)性能的影響，馬氏體不銹鋼的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能以及本構(gòu)方程的研究現(xiàn)狀等，并對(duì)馬氏體不銹鋼及渦輪盤件未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1馬氏體不銹鋼的合金化與熔煉

馬氏體不銹鋼中合金元素，元素含量不同作用也不相同。Hu等[4]發(fā)現(xiàn)無(wú)V涂層主要由馬氏體和鐵素體、微量M23C6和M2N組成，而含V涂層主要由M、F、M23C6和VN納米沉淀物組成，它們的數(shù)密度隨著V含量的增加而增加。V微合金化會(huì)對(duì)所得MSS激光熔覆試樣的機(jī)械性能產(chǎn)生重大影響。隨著V含量的增加，試樣的延伸率增加，而拉伸強(qiáng)度和顯微硬度先增加后降低。Chang等[5]研究發(fā)現(xiàn)無(wú)氮Cr15超級(jí)馬氏體不銹鋼在1050°C淬火和600～700°C回火時(shí)，組織為馬氏體和奧氏體交替分布的雙相組織。氮的加入增加了奧氏體的含量，使奧氏體形貌顯著改變?yōu)榇执髩K狀和條狀分布。更重要的是，奧氏體和馬氏體之間形成微電偶腐蝕，使超級(jí)馬氏體不銹鋼的耐腐蝕性能變差。Jean等[6]研究發(fā)現(xiàn)相對(duì)于無(wú)Nb鋼，添加鈮可使韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低100°C。Nb的主要作用是細(xì)化晶粒尺寸和促進(jìn)殘余奧氏體膜，導(dǎo)致類似的抗解理裂紋萌生，但通過(guò)增加抗解理裂紋擴(kuò)展能力顯著改善韌脆轉(zhuǎn)變行為。

目前馬氏體不銹鋼鑄錠的冶煉工藝[7]較多，其中兩步法和三步法最為常用。電渣重熔是利用電流通過(guò)熔渣時(shí)產(chǎn)生的電阻熱作為熱源進(jìn)行熔煉的方法，是馬氏體不銹鋼熔煉的常用方法之一。00Cr12Ni10MoTi馬氏體時(shí)效不銹鋼錠制備工藝為構(gòu)筑成形和三聯(lián)特冶（真空感應(yīng)熔煉+真空自耗電弧熔煉+電渣重熔）[8]。馬小平等[9]在真空感應(yīng)爐近常壓氣氛保護(hù)熔煉條件下研究氮在馬氏體不銹鋼中的溶解度，爐內(nèi)保護(hù)氣體種類對(duì)鋼中氮的溶解度有較大影響，氮化鉻鐵合金加入量對(duì)鋼氮含量的影響因保護(hù)氣體種類不同而異。相比之下，兩次電渣重熔的效果比單次電渣重熔效果好，經(jīng)過(guò)兩次電渣重熔可以使得馬氏體不銹鋼的塑性、韌性等力學(xué)性能得以提高[10]，同時(shí)在電渣重熔過(guò)程中，電流強(qiáng)度和冷卻強(qiáng)度都不會(huì)影響電渣重熔中夾雜物的類型，但會(huì)影響夾雜物的尺寸，增加電流強(qiáng)度或冷卻強(qiáng)度可細(xì)化夾雜物[11]。為了保證馬氏體不銹鋼的韌性耐腐蝕性能，常常在制備過(guò)程中對(duì)雜質(zhì)元素（S、O等）進(jìn)行去除[12]。

2熱處理對(duì)馬氏體不銹鋼力學(xué)性能的影響

Khashayar等[13]AISI420樣品的維氏顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果如圖所示發(fā)現(xiàn)回火時(shí)間的增加導(dǎo)致碳化物沉淀物的生長(zhǎng)和各自體積分?jǐn)?shù)的增加，硬度值降低，從而隨著回火時(shí)間的增加，樣品晶格微應(yīng)變減小。Deng等[14]研究的中碳馬氏體不銹鋼發(fā)現(xiàn)通過(guò)優(yōu)化奧氏體溫度和回火熱處理，中碳馬氏體不銹鋼表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，極限抗拉強(qiáng)度為1740±8 MPa，屈服強(qiáng)度為1237±19 MPa，總伸長(zhǎng)（延性）為10.3±0.7%，沖擊韌性為94.6±8.0 J?cm?2。合金的延性增加主要?dú)w因于RA通過(guò)轉(zhuǎn)化誘導(dǎo)塑性效應(yīng)以及含有降低的碳和鉻含量的基質(zhì)具有合適的穩(wěn)定性。而中碳馬氏體不銹鋼的沖擊韌性在很大程度上取決于M23C6碳化物。Liu等[15]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)淬火和回火后，馬氏體不銹鋼的組織由回火馬氏體組成，逆奧氏體和少量碳化物。由于合金元素含量高，空冷時(shí)得到淬火馬氏體，殘余內(nèi)應(yīng)力大，造成沖擊韌性最低?；鼗鸷螅捎跉堄鄳?yīng)力為釋放和減少內(nèi)部缺陷，其沖擊韌性得到了很大的改善。調(diào)質(zhì)處理后的樣品具有較高的沖擊韌性。Syarif等[16]研究了通過(guò)熱處理提高選擇性激光熔化15-5PH不銹鋼的顯微組織優(yōu)化以提高耐腐蝕性。結(jié)果表明，時(shí)效處理后，富Cu納米顆粒（約10 nm）擴(kuò)散析出，約18%～25%的奧氏體分布在熔池邊界附近。通過(guò)掃描開(kāi)爾文探針力顯微鏡，奧氏體的表面電位比馬氏體的表面電位高約15 mV。但在固溶處理和時(shí)效處理后奧氏體相消失并析出新的NbC-（Mn，Si）O雙相顆粒，降低了SLM 15-5PH不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性和鈍化膜穩(wěn)定性。Deng等[17]基于調(diào)質(zhì)-回火-分區(qū)（Q-T&P）工藝，設(shè)計(jì)了一種強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性相結(jié)合的中碳馬氏體不銹鋼。Q-T&P是與標(biāo)準(zhǔn)的淬火回火（Q-T）工藝相同的熱處理，但在組織控制方面與淬火分塊（Q&P）具有相同的作用，即通過(guò)抑制碳化物析出促進(jìn)富碳?xì)埩魥W氏體。結(jié)果表明：在強(qiáng)度不受影響的情況下，23Cr13MnSi合金的總延伸率和室溫沖擊韌性分別比商用AISI 420合金提高了14%和110%，分別為9.6%和90 J?cm2。該合金塑性和沖擊韌性的顯著提高主要是由Q-T&P過(guò)程中形成的具有非均相穩(wěn)定性的富碳?xì)堄鄪W氏體和無(wú)碳化物馬氏體引起的漸進(jìn)相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）效應(yīng)所致。K?se等[18]發(fā)現(xiàn)馬氏體不銹鋼組織中殘余奧氏體相分?jǐn)?shù)隨著熱處理的影響而增加，雙相不銹鋼組織中奧氏體相分?jǐn)?shù)增加。熱處理馬氏體和雙相不銹鋼母材和熱處理焊接接頭的抗拉強(qiáng)度提高，但沖擊韌性下降，與母材相比，焊接接頭中孔隙和碳化物形成導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度較低。采用氣體金屬弧焊方法對(duì)X20Cr13馬氏體不銹鋼進(jìn)行多重修復(fù)焊發(fā)現(xiàn)研究了熱影響區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能沒(méi)有不利影響，但是提高了的沖擊韌性，促進(jìn)了延展性斷裂。

Zhao等[19]發(fā)現(xiàn)隨著回火溫度的升高，回火鋼中富Ni的逆奧氏體含量增加。淬火鋼中未發(fā)現(xiàn)富鉬金屬間化合物和逆奧氏體。富鉬金屬間化合物對(duì)腐蝕膜的保護(hù)性能產(chǎn)生不利影響，因?yàn)榕c化合物相鄰的貧鉬區(qū)域的伏特電勢(shì)比鋼基體低約7 mV，破壞了腐蝕膜的穩(wěn)定性。然而，逆奧氏體有利于腐蝕膜，因?yàn)樗种屏顺?jí)13Cr馬氏體不銹鋼的進(jìn)一步腐蝕并增強(qiáng)了腐蝕膜的穩(wěn)定性。因此，不含富鉬金屬間化合物的淬火鋼具有最高的耐蝕性，并且回火鋼的耐蝕性隨著回火溫度的升高而增加。Shahriari等[20]比較了熱處理的增材制造（AM）沉淀硬化馬氏體不銹鋼（SS）CX和AISI 420-SS的鍛造部件的耐腐蝕性能，鎳含量較低。熱處理AM-CX的微觀結(jié)構(gòu)由馬氏體基體和少量納米級(jí)顆粒組成，而鍛造AISI 420-SS在馬氏體基體中含有約8%的奧氏體和富鉻碳化物。與AISI 420-S相比，AM-CX部件具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，這歸因于AM-CX SS中幾乎沒(méi)有富鉻碳化物和馬氏體殘留奧氏體界面，而它們?cè)贏ISI 420-SS中存在使鈍化膜不穩(wěn)定。Khare等[21]13Cr馬氏體不銹鋼（MSS）在奧氏體化和回火條件（300 °C、550 °C和700 °C）下的摩擦學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)（COF）、磨損率和磨損機(jī)理隨回火溫度發(fā)生顯著變化。奧氏體化和300 °C回火條件隨時(shí)間表現(xiàn)出穩(wěn)定的COF變化，而分別在550 °C和700 °C回火條件下觀察到COF隨時(shí)間波動(dòng)和增加?；鼗饤l件的耐磨性低于奧氏體化條件，550 ℃回火條件的耐磨性最低。氧化鋁球的耐磨性也遵循與13Cr MSS相同的趨勢(shì)。在550 °C回火條件下觀察到配合面材料的耐磨性最低。這些觀察結(jié)果歸因于（a）大量納米碳化物的形成和（b）滑動(dòng)過(guò)程中對(duì)接材料的嵌入。奧氏體化和300 °C回火條件顯示出磨料加輕度氧化磨損機(jī)制，而在550 °C和700 °C回火顯示分層加粘附痕跡的存在和壓實(shí)的摩擦層加嚴(yán)重氧化磨損機(jī)制。目前的結(jié)果清楚地突出了13Cr MSS對(duì)配合面氧化鋁球的磨損機(jī)制的變化，在回火處理過(guò)程中顯微組織發(fā)生了變化。Bonagani等[22]已經(jīng)通過(guò)夏比沖擊試驗(yàn)和慢應(yīng)變速率拉伸（SSRT）試驗(yàn)以及隨后的斷裂表面檢查研究了回火處理對(duì)13 wt.%Cr馬氏體不銹鋼（MSS）機(jī)械性能和氫脆（HE）的影響。奧氏體化和淬火試樣在300 °C、550 °C和700 °C下回火2.5 h。在550 °C回火的MSS在沖擊試驗(yàn)后顯示脆性晶間（IG）斷裂，表明其對(duì)回火脆化的敏感性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，13 wt.% Cr MSS對(duì)HE敏感。淬火狀態(tài)在氫預(yù)充本身期間顯示開(kāi)裂。氫氣預(yù)充持續(xù)時(shí)間增加了回火MSS對(duì)HE的敏感性。在550 °C回火的試樣中觀察到最大的HE敏感性，強(qiáng)度和應(yīng)變急劇下降至失效。在SSRT試驗(yàn)中，在300 °C和550 °C下回火顯示出IG脆性斷裂，而在700 °C下回火的試樣隨著預(yù)充電時(shí)間的增加，觀察到具有延展性凹坑的區(qū)域增加。在550 °C回火的試樣對(duì)HE的最大敏感性的原因是由于氫和在原奧氏體晶界分離的雜質(zhì)的協(xié)同相互作用。

3 馬氏體不銹鋼動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與本構(gòu)方程研究現(xiàn)狀

Zhang等[23]研究馬氏體不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和本構(gòu)關(guān)系。應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析表明，不銹鋼呈現(xiàn)應(yīng)變率強(qiáng)化和熱軟化，高應(yīng)變率塑性變形過(guò)程中的絕熱溫升對(duì)材料產(chǎn)生熱軟化作用。借助Johnson-Cook（JC）和冪律（PL）本構(gòu)模型，擬合了馬氏體不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系，得到了相關(guān)系數(shù)（R）和平均絕對(duì)相對(duì)誤差（AAREs）比較了兩種本構(gòu)模型。結(jié)果表明，通過(guò)本構(gòu)模型獲得的曲線與測(cè)試曲線在合理程度上匹配。R值為0.96833和0.97780而通過(guò)J-C和P-L模型獲得的AARE分別為4.77%和2.25%。P-L模型在擬合精度上略優(yōu)于J-C模型。Liu等[24]發(fā)現(xiàn)0.4C-13Cr馬氏體不銹鋼的變形抗力隨著氮含量的增加而提高。其原因與固溶氮原子、Cr2N顆粒對(duì)位錯(cuò)和晶界的釘扎作用有關(guān)。氮引起的釘扎效應(yīng)在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（DRX）的發(fā)展和微觀結(jié)構(gòu)演變中也起著重要作用。在0.4C-13Cr鋼中添加的氮越多，DRX發(fā)生越早，DRX動(dòng)力學(xué)越慢，微觀結(jié)構(gòu)越精細(xì)。Zhao等[25]通過(guò)高溫?zé)釅嚎s試驗(yàn)研究了1Cr12Ni2Mo2WVNb馬氏體不銹鋼的熱變形行為，并建立了應(yīng)變補(bǔ)償?shù)腁rrhenius本構(gòu)方程。預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)系數(shù)R為0.994，計(jì)算平均絕對(duì)相對(duì)誤差（%）值為3.7845%。Qi等[26]通過(guò)兩道次熱壓縮試驗(yàn)研究了馬氏體不銹鋼的靜態(tài)再結(jié)晶行為。通過(guò)線性擬合流變應(yīng)力數(shù)據(jù)，得到標(biāo)準(zhǔn)JMAK方程中的參數(shù)?；贘MAK方程，建立了馬氏體不銹鋼的靜態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型。

4 常見(jiàn)渦輪盤的失效類型

F16軍用飛機(jī)上使用的噴氣燃料啟動(dòng)器（JFS）渦輪葉輪上觀察到大量裂紋、主要材料損失、金屬沉積和點(diǎn)蝕。檢查可研究的渦輪葉輪葉片表面時(shí)，葉片表面的裂紋是在熱疲勞的輔助下從多個(gè)點(diǎn)開(kāi)始的，重復(fù)載荷增強(qiáng)了從葉片邊緣到中心的裂紋。最后，由于殘余橫截面沒(méi)有承受克服其上的過(guò)載效應(yīng)，殘余橫截面被完全折斷。渦輪葉片損壞后，JFS發(fā)生了不平衡故障。在這種情況下，壓氣機(jī)葉輪與機(jī)殼發(fā)生摩擦，機(jī)殼表面和壓氣機(jī)葉輪葉片因摩擦而出現(xiàn)一定程度的損傷，JFS后軸承解體[27]。渦輪葉片是火力發(fā)電廠的關(guān)鍵部件之一，它的故障將導(dǎo)致發(fā)電廠停止運(yùn)行。

Rivaz等[2]研究410不銹鋼型汽輪機(jī)葉片在工作約165，000 h后損壞，以確定所涉及的可能故障機(jī)制。結(jié)果表明斷裂表面存在疲勞跡象。SiO2和Fe2O3異物的存在會(huì)帶來(lái)腐蝕的影響并導(dǎo)致故障速度的增加，并提出了行噴丸處理或應(yīng)用一些保護(hù)涂層來(lái)增加這類型渦輪葉片的使用壽命的建議。Yang等[28]研究發(fā)現(xiàn)葉片局部熱影響區(qū)存在高水平的顯微組織應(yīng)力，是導(dǎo)致葉片失效的直接因素。熱影響區(qū)和高頻淬火區(qū)熱處理不合格導(dǎo)致分布不均勻的細(xì)小馬氏體是失效的根本原因。根據(jù)試驗(yàn)分析提出了防止渦輪葉片失效的建議。Hu等[29]研究渦輪盤GH4169高溫合金在蠕變疲勞載荷下的裂紋擴(kuò)展行為，發(fā)現(xiàn)該合金的裂紋擴(kuò)展速率隨保溫時(shí)間顯著增加。晶界在保溫過(guò)程中氧化，從而誘發(fā)晶間蠕變疲勞斷裂模式。此外，在相同保溫時(shí)間下的測(cè)試數(shù)據(jù)顯示裂紋擴(kuò)展速率分散。因此，通過(guò)引入裂紋擴(kuò)展速率的分布因子，提出了基于Saxena方程的修正模型。顯微組織觀察證實(shí)，較小的晶粒尺寸和較高的δ相體積分?jǐn)?shù)導(dǎo)致了650 °C的快速蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率，從而表明細(xì)晶和晶界δ相的存在增加了高溫下弱化界面的數(shù)量，晶間裂紋可能在此界面上形成和擴(kuò)展。

5 結(jié)語(yǔ)

渦輪盤等對(duì)馬氏體不銹鋼的各項(xiàng)力學(xué)性能的要求比較高，如何通過(guò)復(fù)雜的工藝來(lái)提高韌性保證塑性成為馬氏體不銹鋼的重要的研究方向。對(duì)馬氏體不銹鋼今后需要解決的問(wèn)題主要有：（1）優(yōu)化馬氏體不銹鋼中的合金元素，減少熔煉過(guò)程中雜質(zhì)元素，同時(shí)注重工業(yè)成本以及環(huán)境保護(hù);（2）對(duì)馬氏體進(jìn)行合理的熱處理工藝或滲氮、滲碳等表面處理，增加馬氏體不銹鋼的的強(qiáng)度、耐磨損等各項(xiàng)力學(xué)性能，增加馬氏體不銹鋼工件的服役壽命;（3）研制組織與性能更優(yōu)的新型馬氏體不銹鋼。

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