進氣室支架不銹鋼材料熱處理工藝研究

鄭吉偉，杜 雷，戚彩夢，曲兆國，秦 斌，杜 娟

(1. 哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱 150066；2. 哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

05Cr17Ni4Cu4Nb是典型的馬氏體沉淀硬化不銹鋼，簡稱17-4pH。沉淀硬化不銹鋼是通過熱處理析出微細的金屬間化合物和某些少量碳化物以產(chǎn)生沉淀硬化而獲得高強度和一定耐蝕性相結(jié)合的高強不銹鋼，它兼有Cr-Ni奧氏體不銹鋼耐蝕性較好和馬氏體Cr鋼強度高的優(yōu)點。該鋼可通過改變時效溫度，在相當寬的范圍內(nèi)調(diào)整機械性能，主要應用于航空航天、國家海防及核工業(yè)等領(lǐng)域。

17-4pH材料一般有四個強度等級，即屈服強度下限為725 MPa、865 MPa、1 000 MPa及1 180 MPa四個等級，每個強度等級對應一個推薦的熱處理制度。某公司的燃氣輪機進氣室支架產(chǎn)品采用了第三個等級的17-4pH鍛件材料。各國的標準中該等級材料在固溶處理后對應的時效溫度為550 ℃，但是考慮該部件焊接后的消除應力效果，在更高的溫度進行時效熱處理后，其性能裕度是否能達到該強度等級的要求？本研究的目標就是確定燃氣輪機進氣室支架的熱處理制度，兼顧材料的力學性能及產(chǎn)品的消除應力效果，以指導生產(chǎn)，同時也可為同材料其它強度等級熱處理工藝的制定提供技術(shù)參考。

1 試驗材料及設備

熱處理試驗采用規(guī)格為φ35 mm×500 mm的圓鋼，材料的初始狀態(tài)為退火態(tài)，化學成分見表1。

表1 化學成分 單位：%

固溶及時效熱處理設備為2臺箱式電阻爐，爐膛最高額定溫度為1 200 ℃和1 000 ℃，保溫精度為±5 ℃，爐膛有效加熱區(qū)為500 mm×400 mm×400 mm。拉伸試驗設備為WDW-300E微控電子萬能試驗機?；瘜W成分檢驗設備為型號ARL 4460的直讀光譜儀。硬度試驗設備為TR-350D-S洛氏硬度計。顯微鏡采用德國蔡司Axio Observer.A1m顯微鏡。

2 熱處理方案

17-4pH材料性能熱處理一般分為兩個階段，即固溶熱處理及時效熱處理。17-4pH鋼的Ac1約為670 ℃，Ac3約為740 ℃，Ms為80～140 ℃，Mf約為32 ℃[1]。趙莉萍[2]等對17-4pH鋼在不同溫度下的組織和性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)1 040 ℃固溶處理后試樣硬度最高，而各標準中推薦的固溶溫度為1 020～1 060 ℃，因此本文內(nèi)采用名義溫度1 040 ℃進行固溶熱處理，采用空冷及油冷兩種方式進行對比驗證。17-4pH材料一般在480～620 ℃進行時效處理。標準內(nèi)對屈服強度下限為1 000 MPa的17-4pH材料，推薦采用540 ℃進行時效處理，基于此，本文在540 ℃進行時效，同時在480 ℃及600 ℃進行時效熱處理以對比驗證，具體的熱處理方案見表2。

表2 熱處理方案

3 結(jié)果及分析

各試樣熱處理后的力學性能試驗結(jié)果見表3。拉伸試驗按GB/T 228.1執(zhí)行，試樣采用其中的R4試樣。沖擊試驗按GB/T 230.1執(zhí)行。

表3 室溫力學性能

17-4pH是馬氏體沉淀硬化不銹鋼，在空冷條件下即可獲得馬氏體組織。因此1，2號試樣固溶處理空冷，油冷至室溫后，其基本組織為馬氏體組織，雖然已經(jīng)具備較高的強度和硬度，但仍不滿足使用要求，同時材料未經(jīng)回火，反映塑性的延伸率指標較低且不滿足要求。因此，進氣室支架固溶處理后必須進行時效處理，以提高強度及塑韌性。

續(xù)表3 室溫力學性能

從固溶處理空冷及油冷后試樣的屈服強度及屈強比，延伸率，斷面收縮率的對比結(jié)果看，固溶處理后采用油冷可以使材料的屈強比及屈服強度提高，同時也提高了材料的延伸率，斷面收縮率指標。17-4pH材料固溶處理具有兩方面的作用，其一，作為馬氏體不銹鋼在固溶(或稱淬火)后獲得馬氏體組織；其二，作為時效鋼，在固溶處理后獲得過飽和的固溶體。雖然17-4pH鎳，銅含量高，使C曲線右移，臨界冷卻速度很小，即使是大型零件，空冷速度也遠遠超過臨界冷卻速度[3]，但是油冷與空冷相比，冷卻至馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束點32 ℃后，馬氏體轉(zhuǎn)變量相對較多[4]。圖1、圖2為1，2號試樣固溶后的組織照片，可以看出2號樣與1號比，具有較多的馬氏體和較少的析出相。同時，油冷可獲得更佳的固溶效果，有效阻止富銅相析出，在隨后的時效處理后沉淀析出相相對增加。這就是采用油冷使屈服強度或屈強比增加的原因。馬氏體含量多，時效處理時馬氏體組織進行了回火，塑韌性回復較大，是采用油冷方式獲得塑韌性提高的原因。因此，進氣室支架固溶處理后需采用油冷或其他快速冷卻方式。

圖1 1號試樣顯微組織×500

圖2 2號試樣顯微組織×500

綜上所述，進氣室支架需采用固溶加時效的方式進行熱處理，且固溶處理需采用油冷或其他快冷方式，為了避免在固溶冷卻過程中尺寸變形較大或開裂，建議優(yōu)先采用油冷。從表3中4，6，8號樣時效后的性能判斷，在600 ℃時效，屈服強度不能滿足要求；在480 ℃時效，強度及硬度高，不利于產(chǎn)品切削加工，并且延伸率接近要求下限，因此不采用該方案；540 ℃時效后可獲得綜合的力學性能指標，所以確定在該溫度下進行時效熱處理。

4 結(jié)論

(1) 17-4pH材料固溶處理時采用快速冷卻方式可以使材料的屈服強度及屈強比提高。

(2) 屈服強度下限為1 000 MPa的進氣室支架的建議采用如下熱處理工藝。固溶處理：1 040 ℃保溫1 h，油冷至32 ℃以下；時效處理：540 ℃保溫4 h，空冷至室溫。