葉片用X5CrNiCuNb16-4鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度的研究

閆 卓

(沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110869)

沉淀硬化不銹鋼一般采用馬氏體相變和沉淀硬化機(jī)理，使鋼獲得高強(qiáng)度和高塑性韌性并兼有良好的抗腐蝕能力、加工和焊接性能。沉淀硬化不銹鋼彌補(bǔ)了奧氏體不銹鋼強(qiáng)度不足和馬氏體不銹鋼的抗腐蝕能力不足等缺點(diǎn)。X5CrNiCuNb16-4為一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，主要應(yīng)用于既要求耐弱酸又要求耐堿和鹽腐蝕的高強(qiáng)度部件，作為軸流壓縮機(jī)葉片的常用材料，目前已經(jīng)拓展到低溫工況中使用。本文采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8732中推薦的熱處理工藝參數(shù)對X5CrNiCuNb16-4進(jìn)行熱處理后，測試其力學(xué)性能，并對不同溫度下的夏比V型缺口進(jìn)行沖擊試驗，通過沖擊斷口形貌分析，獲得不同試驗溫度下的剪切斷面率和側(cè)向膨脹量，以期最終確定現(xiàn)有熱處理工藝參數(shù)下的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。軸流壓縮機(jī)應(yīng)盡量在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上使用，以保證長期穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

1 熱處理工藝及力學(xué)性能

X5CrNiCuNb16-4材料的熱處理方式為固溶化、調(diào)整和時效處理。固溶化處理溫度的高低取決于鋼的化學(xué)成分，為了得到奧氏體組織，以便快速冷卻后得到馬氏體組織，Ni含量較高時，Ac1點(diǎn)很低，固溶溫度也可以較低；Ni含量高于4%時，Ac1點(diǎn)降低到700 ℃以下[2]，高熔點(diǎn)碳化物如NbC、TiC等溶入奧氏體需加熱到更高溫度，富Cu相溶于奧氏體卻可在較低溫度。為了在室溫下得到全部馬氏體組織，固溶化處理后可進(jìn)行奧氏體狀態(tài)調(diào)整，稱為調(diào)整處理，以控制馬氏體相變，這是該鋼的主要特征。該處理可以采用各種工藝方法以適應(yīng)最終力學(xué)性能要求，其實質(zhì)是通過Cr的碳化物、金屬間化合物、氮化物等析出，使奧氏體基體中碳和其他元素含量降低來升高M(jìn)s和Mf點(diǎn)。時效處理的目的是產(chǎn)生細(xì)小、彌散分布的沉淀相，以便獲得盡可能高的強(qiáng)度和良好韌性匹配。

本文使用的試驗鍛件為電爐冶煉和電渣重熔后鍛造而成，鍛造比為5.5，始鍛溫度為1150～1180 ℃，終鍛溫度為850～900 ℃，鍛造后尺寸為φ100 mm×600 mm，鋼的化學(xué)成分如表1所示。為了避免試驗鍛件在熱處理過程中產(chǎn)生開裂，熱處理前進(jìn)行粗加工，保證表面粗糙度Ra12.5 μm。擬選用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8732汽輪機(jī)葉片用鋼中推薦的熱處理工藝參數(shù)，采用固溶化、調(diào)整和時效的工藝方法。由于固溶化處理過程中表面和心部溫差較大，存在一定的熱應(yīng)力，因此在850 ℃設(shè)定均溫保持1 h。在1050 ℃固溶化保溫2 h，820 ℃調(diào)整保溫2 h，560 ℃時效保溫4 h，工序之間保證一定的間隔時間，待試樣表面恢復(fù)到室溫再進(jìn)行下一步熱處理[3]，熱處理工藝如圖1所示。

表1 試樣的實測化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The measured chemical compositions of samples(mass fraction,%)

圖1 標(biāo)準(zhǔn)推薦熱處理工藝參數(shù)Fig.1 Standard recommended heat treatment process parameters

熱處理后先用線切割機(jī)切取縱向力學(xué)性能試樣，按國家標(biāo)準(zhǔn)要求在距離表面1/3半徑處截取拉伸試樣、沖擊試樣和硬度試樣。拉伸試樣為5倍標(biāo)距試樣，加工成標(biāo)距為30 mm、平行部分直徑為6 mm的圓棒狀拉伸試樣，并在RAS250萬能試驗機(jī)上按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228《金屬材料室溫拉伸試驗方法》要求進(jìn)行拉伸試驗；按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 231《金屬布氏硬度試驗方法》要求進(jìn)行布氏硬度檢驗，試樣的強(qiáng)度、硬度和塑性數(shù)據(jù)如表2所示。

按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》要求進(jìn)行沖擊試驗，試樣為夏比V型缺口，缺口深度為2 mm，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，試驗溫度為室溫、-40、-50、-60、-70和-75 ℃。每組低溫沖擊試驗包括3個沖擊試樣，低溫沖擊采用液氮和酒精混合的方法獲取低溫環(huán)境，沖擊試樣從冷介質(zhì)中迅速取出并進(jìn)行試驗。不同低溫下的夏比V型缺口沖擊功、脆性斷面率、剪切斷面率和側(cè)向膨脹量數(shù)據(jù)如表3所示。

從表2可以看出，三組試樣的力學(xué)性能數(shù)據(jù)接近，表明材料組織成分相對均勻；從表3可以看出，隨著試驗溫度的降低，材料的沖擊功呈下降趨勢，從-60 ℃開始下降更為明顯。

對于材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的確定，國家標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)有一定的差異，其中GB/T 229《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》附錄C內(nèi)容，50%FATT對應(yīng)的溫度為材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，即剪切斷面率為50%，測量斷口閃亮部分的長度和寬度，為解理斷裂部分，并將斷口部位放大，如圖2所示。而ASME第八卷中則規(guī)定，夏比V型缺口沖擊試樣的斷口側(cè)向膨脹量為0.40 mm時，對應(yīng)的試驗溫度為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。根據(jù)表3實測的剪切斷面率和側(cè)向膨脹量，兩種標(biāo)準(zhǔn)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度均約為-75 ℃。

表2 熱處理后試樣的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of samples after heat treatment

表3 熱處理后試樣沖擊韌性Table 3 The impact ductility of sample after heat treatment

圖2 剪切斷面率的百分比尺寸Fig.2 The percentage size of shear section ratio

2 顯微組織和沖擊斷口形貌

將硬度試樣打磨、拋光后進(jìn)行腐蝕，采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察，如圖3所示。顯微組織主要為細(xì)小均勻的板條狀回火馬氏體，析出物在晶界處聚集，存在一定量的第二相顆粒狀析出物，主要是富銅相和碳化物[4]，有效地釘扎在晶界處，阻止晶粒長大。晶界處不同晶粒存在位向差，會發(fā)生多滑移機(jī)制，導(dǎo)致位錯的相互交割；尤其是經(jīng)過調(diào)整處理后，晶粒數(shù)目增多，晶界面積明顯更大，在拉伸和沖擊過程中，位錯受到的阻力更大，是材料同時獲得高強(qiáng)度和良好韌性的主要原因[5]。

圖3 熱處理后試樣的顯微組織Fig.3 Microstructure of sample after heat treatment

(a)-75 ℃斷口；(b)室溫斷口圖4 沖擊斷口形貌(a) fracture in -75 ℃；(b) fracture in room temperatureFig.4 The morphology of impact fracture

采用掃描電鏡觀察室溫和-75 ℃沖擊斷口形貌，如圖4所示。從圖4(a)可以看出，斷口形式為準(zhǔn)解理+韌性斷口，存在一定的解理絲，沖擊功略低；圖4(b)完全為韌性斷口，有一定數(shù)量的韌窩，是沖擊功較高的原因。

3 結(jié)論

1)熱處理后X5CrNiCuNb16-4材料的沖擊韌性隨著試驗溫度的降低呈降低趨勢，在韌脆轉(zhuǎn)變溫度附近降低明顯；

2)夏比V型缺口沖擊功、剪切斷面率、側(cè)向膨脹量三者為正比關(guān)系；

3)在現(xiàn)有冶煉方法和熱處理參數(shù)下，X5CrNiCuNb16-4材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-75 ℃，應(yīng)保證葉片使用工況高于該溫度。