1Cr11Ni2W2MoV属于新型马氏体耐热不锈钢，具有良好的综合力学性能，尤其具有优良的韧性和抗氧化性能，广泛用于航空工业中制造600℃以下工作的发动机叶片等重要零部件。本文主要探讨航空用钢自由锻件的热处理工艺开发。1Cr11Ni2W2MoV钢是在低碳的12%Cr钢中加入大量的W、Mo、V等缩小奥氏体相区的铁素体形成元素，使得钢具有马氏体相变硬化能力，所得到的一种新型马氏体耐热不锈钢。我公司采用该材质生产的自由锻件，主要用于生产航空发动机叶片。
产品技术要求
1Cr11Ni2W2MoV是具有优良综合力学性能的马氏体耐热不锈钢，强度高、韧性好。1Cr11Ni2W2MoV钢中C、Mn、Ni属于奥氏体形成元素，而Cr、Mo、V属于铁素体形成元素。为避免得到较多的δ-铁素体，在源头原材料化学成分中即要控制奥氏体形成元素在中上限，铁素体形成元素在中下限，熔炼炉号为A-A的化学成分含量见表1。原材料的低倍组织、非金属夹杂物、无损检测见表2。力学性能及高倍组织热处理后力学性能要求：交货状态为固溶时效，每热处理炉次抽取一件硬度*高、一件硬度*低的实物，测试其力学性能见表3。热处理后高倍组织要求：马氏体或少量δ-铁素体，晶粒度5～8级。
1Cr11Ni2W2MoV具有良好的综合力学性能，在航空工业中已广泛用于制造600℃以下工作的发动机叶片、盘、轴等重要零部件。
探讨了航空1Cr11Ni2W2MoV钢叶片热加工工艺与力学性能的关系。工艺试验结果表明，该钢的力学性能主要与锻造变形程度、尺寸效应、回火脆性和δ-F组织等因素有关。 关键词：航空发动机叶片；力学性能；锻造；热处理 一、前言1Cr11Ni2W2MoV钢是在低碳的12%Cr钢中加入大量的W、Mo、V等缩小奥氏体相区的铁素体形成元素，使得钢具有马氏体相变硬化能力，所得到的一种新型马氏体耐热不锈钢。该钢具有良好的综合力学性能，在航空工业中已广泛用于制造600℃以下工作的发动机叶片、盘、轴等重要零部件。 本文主要探讨了航空1Cr11Ni2W2MoV钢叶片热加工工艺(锻造及热处理)与力学性能的关系。 二、原材料和工艺设备 航空1Cr11Ni2W2MoV钢叶片是重要的二级锻件。锻件用原材料电渣钢热轧棒必须符合YB675-7《航空用不锈钢及耐热钢钢棒》和HB5270-83《航空发动机转动件用上等上等不锈钢棒》等技术标准及有关所颁技术条件的规定；原材料经复检合格，拔皮去除表面缺陷后，方可投入使用。复检后的化学成份见表1，叶片的力学性能应达到表2的规定[1]。
表1 1Cr11Ni2W2MoV钢化学成分(wt%)
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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 |
|
复检 |
0.13 |
0.22 |
0.51 |
11.60 |
1.78 |
1.85 |
0.47 |
0.23 |
/ |
/ |
表2 1Cr11Ni2W2MoV钢力学性能要求
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热处理制度 |
力学性能≥ |
||||||
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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 |
|
|
所颁QT31-WY90-13 |
1080 |
930 |
12 |
50 |
40.5～33.5 |
685 |
1Cr11Ni2W2MoV钢叶片的热加工工艺试验加热设备均采用RJX-45-9、RJX-75-13工业电炉。原材料装炉前应彻底电炉内异物，杜绝混料，按工艺要求校验控温仪表；为提高炉温均匀性，可采用炉门石棉隔热栅，有效率≥87%。 三、工艺试验 航空1Cr11Ni2W2MoV钢叶片热加工工艺规范的拟定，应严格按照HB5024-89《航空用钢锻件》中的技术规定执行，达到表2要求的力学性能。1.锻造工艺1Cr11Ni2W2MoV钢叶片锻造工艺试验方案如表3所示。
表3 1Cr11Ni2W2MoV钢叶片锻造工艺试验
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叶片号 |
锻件尺寸 |
原材料尺寸 |
变形程度 (锻造比) |
锻造工艺号 |
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0T21-1 |
24×52×138 |
φ50×100 |
1.57 |
F1 |
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0T21-2 |
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φ75×130 |
3.54 |
F2 |
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0T22-1 |
26×75×175 |
φ95×160 |
1.96/1.84 |
F3 |
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0T22-2 |
|
φ110×120 |
2.63/1.84 |
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|
0T23 |
24×52×115 |
φ65×140 |
2.65 |
F2 |
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0T63 |
22×38×175 |
φ53×75 |
2.63 |
F1 |
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0T64 |
22×40×145 |
φ53×65 |
2.50 |
F1 |
表中：F1—单个毛坯一火锻造成形。F2—一火锻造成形，再均匀切断为三件。F3—二火锻造成形，即预锻后均匀切断为三件，再加热终锻成形。 在高温时，1Cr11Ni2W2MoV钢叶片的组织为奥氏体(A)及少量的δ-铁素体(F)，具有良好的热塑性，易于压力加工。为避免组织粗大和δ-F含量过高，锻造的始锻和终锻温度不要太高。停锻后，锻件应置于灰箱中缓冷，防止龟裂发生。适宜的锻造工艺规范应为：850℃预热+(1140±20)℃始锻+(850～900)℃终锻/灰箱冷。 锻件的表面质量不允许有过烧裂纹和严重影响性能的其它缺陷存在；小裂纹、嵌入和成片的氧化皮必须全部；一般缺陷的存在均须保证锻件留有≥(2)/(3)的公称加工余量。在锻件的断口和酸浸试片上显示的低倍组织，不允许有白斑、白点、缩孔、气泡、翻皮、点针偏析和层状断口存在。一经发现严重质量问题，锻件应予报废。2.热处理工艺(1)预备热处理1Cr11Ni2W2MoV钢叶片预备热处理即锻后热处理，目的是消除锻造加工缺陷和应力，改善其组织，促使充分聚集的碳化物固溶，并可保证所要求的力学性能(布氏硬度要求d=3.70～4.30)。预备热处理的工艺规范是：850℃预热(视装炉量)+(1000±10)℃正火/空冷+(740±10)℃回火/空冷或850℃预热+(740±10)℃回火/空冷。(2)热处理1Cr11Ni2W2MoV钢叶片热处理正确的工艺规范为：850℃预热(视装炉量)+(1010±10)℃淬火/油冷+(550～570)℃回火/空冷。1)淬火1Cr11Ni2W2MoV钢淬火加热温度越高，碳化物溶解得越多，当加热至1000℃时，碳化物已全部溶解，若加热温度过高，就会产生过多的δ-F，使钢的性能恶化(主要是强韧性、疲劳性能、蠕变性能的降低)。因此，淬火加热温度应以保证既达到充分奥氏体化，但又只产生少量的δ-F为原则，以(1000～1020)℃适宜。该钢的淬硬性和淬透性好，φ200mm的工件均可淬透，故对类似于航空发动机叶片毛坯的薄壁件，为避免过快的冷却速度造成变形和开裂缺陷，采用油冷淬火效果较好。2)回火1Cr11Ni2W2MoV钢叶片的回火是一个十分重要的工序，将对力学性能产生显著影响。该钢存在二个回火脆性区((350～530)℃和(600～670)℃)是回火工艺的难点。合适的回火温度范围很窄，稍有偏差就会使钢的冲击韧性下降，所以操作时应十分谨慎。根据1Cr11Ni2W2MoV钢叶片的工作条件，选定550～570℃的回火温度，可以获得好的综合力学性能。 四、试验结果 经过理化检验测试，1Cr11Ni2W2MoV钢叶片热处理后的力学性能如表4所示。
热处理工艺
两种1Cr11Ni2W2MoV材质产品属于自由锻件，变形相对模锻件小得多，采用水平摆放于料筐内装炉，为保证固溶冷却效果，摆放方式采用锻件交错叠放。热处理设备选择炉温均匀性±10℃以内的电炉。热处理：(1010±10）℃固溶油冷+(670±10）℃时效空冷。所谓固溶，即是将合金（不锈钢）加热到高温单相区恒温保持，使过剩相（碳化物相）充分溶解到固溶体中并快速冷却，以得到过饱和固溶体。回归到本文1Cr11Ni2W2MoV钢，固溶加热温度越高，碳化物溶解的越多，当加热到1000℃时，碳化物已全部溶解。温度再高，会产生过多的δ-铁素体，经查：δ-铁素体（简称δ-F）是一种富W、Mo、Cr和V且贫Mn相，是导致冲击韧性急剧降低的主因，可通过控制铁素体形成元素到*低限，奥氏体形成元素到*高限，加热温度的合理选择等多项手段，抑制δ-F的析出，获得完全马氏体组织，即可获得良好的综合力学性能。综合上述，固溶温度控制在1000～1020℃*为适宜，为避免产品快速冷却导致裂纹等缺陷可将冷却方式控制为油冷，油温控制在50～80℃，并须配备循环冷却设备及温控仪。时效是比较重要的一个过程，对*终的性能产生直接影响。1Cr11Ni2W2MoV钢存在两个时效脆性区：(350～530）℃、(600～670）℃。按照HB 5024-1989《航空用钢锻件》中的技术规定，获得本文要求的力学性能，选择时效温度为(660～710）℃，由于首炉装炉量较大，综合时效脆性区，首炉控制为670℃空冷。
