楊樹林, 趙吉慶, 閆 磊, 楊 鋼

(1. 中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司, 遼寧 沈陽(yáng) 110043;2. 鋼鐵研究總院有限公司 特殊鋼研究院, 北京 100081)

эи866合金是前蘇聯(lián)發(fā)明的一種航空耐熱鋼,對(duì)應(yīng)的國(guó)內(nèi)牌號(hào)為1Cr16Co5Ni2MoWVNbN,含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)16%的Cr,同時(shí)添加Mo、W等固溶強(qiáng)化元素,V、Nb等強(qiáng)碳化物形成元素,兼具優(yōu)良的耐蝕性、抗氧化性與熱強(qiáng)性,在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得了大量應(yīng)用,用于制造壓氣機(jī)葉片、盤件、環(huán)件,以及發(fā)動(dòng)機(jī)用軸頸、緊固件等關(guān)鍵部件[1-4]。

эи866合金成分體系非常復(fù)雜,不但合金元素種類多,含量也非常高,W、Mo、Nb等元素在冶煉過(guò)程極易偏析,使該材料的冶煉、鍛造難度非常大[5-6]。棒材或鍛件經(jīng)常出現(xiàn)帶狀組織等微觀缺陷,引起力學(xué)性能波動(dòng),甚至不合格,對(duì)于較為精密的零部件,還會(huì)影響探傷合格率。本文以機(jī)加工后出現(xiàn)徑向條紋的эи866合金鍛件為研究對(duì)象,通過(guò)微觀組織分析與力學(xué)性能測(cè)試,研究了探傷缺陷產(chǎn)生的原因,以及消除缺陷的熱處理工藝。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為эи866合金鍛件,鍛后經(jīng)過(guò)1070 ℃淬火+680 ℃回火性能熱處理后,機(jī)加工成零件,在底部觀察到大量沿直徑方向分布的“水波紋”(下文統(tǒng)稱為徑向條紋),見圖1。

圖1 鍛件樣品底部的徑向條紋Fig.1 Radial stripes at the bottom of the forged specimen

利用線切割,從帶有徑向條紋的鍛件上切取顯微組織試樣與弦向拉伸試樣,進(jìn)行微觀組織與力學(xué)性能測(cè)試分析。受零件尺寸限制,拉伸試樣為標(biāo)距直徑φ3 mm的非標(biāo)準(zhǔn)試樣。顯微組織試樣切取整個(gè)縱截面,研磨拋光后,用CuCl2+FeCl3+HCl+H2O+酒精的腐蝕液浸蝕,在Olympus GX51圖像分析儀下觀察其顯微組織。采用Formast-F Ⅱ試驗(yàn)機(jī),通過(guò)記錄材料在加熱與冷卻過(guò)程中的體積膨脹,測(cè)量鋼的相變點(diǎn)。XRD試樣尺寸為30 mm×20 mm×4 mm,經(jīng)砂紙研磨、電解拋光后,采用德國(guó)布魯克D8 ADVANCE X射線衍射儀對(duì)鋼中的殘留奧氏體進(jìn)行定量分析。根據(jù)YB/T 5338—2019《鋼中奧氏體定量測(cè)定 X射線衍射儀法》中五線六對(duì)法計(jì)算殘留奧氏體的體積分?jǐn)?shù)。采用LOS600拉伸試驗(yàn)機(jī),按GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試,采用德KB 30 SR-FA型顯微硬度計(jì),按GB/T 4340.1—2009《金屬維氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,載荷砝碼10 kg,加載時(shí)間10 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 徑向條紋形成原因分析

從鍛件切取的金相試樣腐蝕后的宏觀形貌見圖2,可以看到,上端面腐蝕后比較均勻的失去金屬光澤,表面呈現(xiàn)灰白色,下端面與中間位置腐蝕后不均勻,灰白色與暗亮色的區(qū)域交替分布,呈現(xiàn)帶狀特征。不同試樣成分或組織在浸蝕后會(huì)表現(xiàn)不同的表面形貌,由此可見,鍛件下端面與中間位置的成分或組織是不均勻的。

圖2 鍛件試樣縱截面腐蝕后的宏觀形貌Fig.2 Macromorphology of the longitudinal profile of the forged specimen after etching

試樣上端面、下端面2個(gè)位置的顯微組織見圖3。由圖3可見,上下端面的組織都不均勻,上端面觀察到大量的回火板條馬氏體(黑色)與白色塊狀組織交替分布,白色塊狀組織的分布表現(xiàn)出輕微的帶狀特征,下端面可以觀察到明顯的帶狀組織,沿著直徑的方向分布。對(duì)下端面不同襯度的組織進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,白色塊狀組織的平均硬度值384 HV10,明顯高于回火馬氏體平均硬度值329 HV10。白色帶狀組織的硬度與淬火馬氏體相符,由于鍛件經(jīng)過(guò)了680 ℃回火處理,白色帶狀組織應(yīng)為回火后形成的二次馬氏體。

圖3 鍛件試樣上、下端面的顯微組織(a)上端面;(b)下端面Fig.3 Microstructure of the top and bottom surfaces on the forged specimen(a) top surface; (b) bottom surface

鋼中的二次馬氏體一般是由殘留奧氏體在回火后形成的,為了驗(yàn)證上述結(jié)果,采用XRD對(duì)鍛件試樣縱截面中下端位置的殘留奧氏體進(jìn)行了定量分析,結(jié)果見圖4。按照YB/T 5338—2019中的五線六對(duì)法,根據(jù)(200)α、(211)α和(200)γ、(110)γ、(311)γ衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度,對(duì)殘奧含量進(jìn)行了計(jì)算,體積分?jǐn)?shù)為12.36%。鍛件淬火后,存在大量未完成轉(zhuǎn)變的殘留奧氏體,在回火冷卻過(guò)程中,部分殘留奧氏體形成了高硬度的二次馬氏體[7-10],使鍛件硬度不均勻,機(jī)加工時(shí)在組織均勻性最差的下端面出現(xiàn)大量徑向條紋,分布方向與二次馬氏體形成的帶狀組織完全一致。

圖4 鍛件試樣縱剖面下端殘留奧氏體XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of retained austenite in the bottom part of the forged specimen longitudinal profile

鋼鐵材料中的帶狀組織大多由成分偏析引起,對(duì)于高合金鋼,在熔鑄過(guò)程中易產(chǎn)生晶間偏析,Co、Ni、W、Mo等合金元素不易均勻化,合金元素貧化帶與富化帶彼此交替堆疊,奧氏體化后的冷卻過(guò)程中,不同成分的條帶將形成不同類型的組織[11-12]。эи866合金中的Cr、Mo、W、Nb等元素在冶煉過(guò)程中極易發(fā)生偏析,從而影響Ms點(diǎn)。式(1)為馬氏體鋼Ms點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)公式[13],假設(shè)Cr、Mo、W元素按1倍偏析計(jì)算,Ms點(diǎn)下降約200 ℃。

Ms(℃)=550-330C-35Mn-17Ni-12Cr-21Mo-10Cu-5W-10Si+10Co+30Al

(1)

式中:各元素符號(hào)表示該元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

采用熱膨脹儀測(cè)試了эи866合金中限成分下的Ms點(diǎn)為125 ℃,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果,Cr、Mo、W等元素的偏析很容易使局部區(qū)域的Ms點(diǎn)降至室溫以下,從而在淬火油冷后無(wú)法發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,形成大量殘留奧氏體。680 ℃高溫回火過(guò)程,鋼中會(huì)析出第二相碳化物,使基體合金量下降,Ms點(diǎn)隨之提高,回火冷卻過(guò)程,未發(fā)生轉(zhuǎn)變的殘留奧氏體會(huì)發(fā)生馬氏體相變,形成脆硬的二次馬氏體。表1為存在帶狀組織的鍛件與正常組織鍛件的拉伸性能對(duì)比,可見二次馬氏體的產(chǎn)生,不但會(huì)導(dǎo)致硬度不均勻,使鍛件機(jī)加工后產(chǎn)生徑向條紋,還會(huì)造成塑韌性下降,影響鍛件的應(yīng)用。

表1 不同組織類型鍛件的拉伸性能

2.2 帶狀組織的消除工藝

將觀察到嚴(yán)重徑向條紋的試樣,分別進(jìn)行680 ℃×2 h(空冷)二次回火處理與預(yù)處理+性能熱處理,預(yù)處理+性能處理工藝為1090 ℃×1 h(空冷)+680 ℃×2 h(空冷)。兩種工藝處理后,試樣下端面的顯微組織見圖5。680 ℃二次回火后,帶狀組織得到有效改善,但顯微組織中仍能觀察到大量白色塊狀區(qū)域,顯微硬度雖降至375～385 HV10,仍偏高。預(yù)處理+性能熱處理后,顯微組織單一均勻,為回火馬氏體,白色塊狀組織和帶狀分布特征完全消失,顯微硬度進(jìn)一步降至350～360 HV10,恢復(fù)至正?；鼗瘃R氏體的硬度水平。由此可見,采用二次回火能夠有效改善帶狀組織,但不能完全消除,采用預(yù)處理+性能熱處理能夠完全消除帶狀組織。帶狀組織消除后,對(duì)鍛件重新機(jī)加工,下端面的徑向條紋隨之消除(見圖6),縱剖面腐蝕后組織均勻。

圖5 不同熱處理工藝下鍛件試樣下端面的顯微組織(a)二次回火;(b)預(yù)處理+性能熱處理Fig.5 Microstructure of bottom surface of the forged specimens under different heat treatment processes(a) secondary tempering; (b) preheat treatment+performance heat treatment

圖6 帶狀組織消除后鍛件試樣下端面(a)與縱剖面(b)宏觀形貌Fig.6 Macromorphologies of the bottom surface(a) and longitudinal profile(b) of the forged specimen after banded structure eliminating

上文分析結(jié)果已證明,徑向條紋產(chǎn)生的根源是殘留奧氏體轉(zhuǎn)變的二次馬氏體,因此消除鋼中的殘留奧氏體與二次馬氏體是解決徑向條紋與帶狀組織的關(guān)鍵。鍛件熱處理后,補(bǔ)充二次回火處理,一次回火后形成的二次馬氏體會(huì)發(fā)生分解,轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體,從而消除了組織差異,使帶狀組織形貌得到明顯改善,并降低硬度。二次回火后,從鍛件下端面取樣測(cè)量殘留奧氏體含量,體積分?jǐn)?shù)為3.58%,冷卻過(guò)程會(huì)再次發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,因此二次回火后鋼中仍存在白塊組織,硬度也偏高。

采用預(yù)處理+性能熱處理工藝,實(shí)際是對(duì)鍛件進(jìn)行了重新熱處理,改善帶狀組織的機(jī)理與二次回火不同。首先對(duì)鍛件進(jìn)行了1090 ℃正火處理,保溫過(guò)程中合金元素能夠發(fā)生一定程度的擴(kuò)散,提高鍛件的成分均勻性。鋼中含有的V、Nb等強(qiáng)碳化物形成元素,Cr、Mo等碳化物形成元素,在680 ℃高溫回火過(guò)程中,會(huì)隨著C的脫溶析出,形成第二相碳化物,降低基體的合金含量。Cr、Mo、V、Nb元素在基體中含量的下降,均能提高鋼的Ms點(diǎn),使材料在淬火冷卻過(guò)程發(fā)生比較充分的馬氏體轉(zhuǎn)變,降低淬火后的殘奧含量。預(yù)處理+性能熱處理后,鍛件下端面取樣測(cè)試殘奧含量,體積分?jǐn)?shù)僅為0.68%,可以認(rèn)為獲得了單一均勻的回火馬氏體,因此帶狀組織完全消失,硬度也進(jìn)一步降低。

根據(jù)上述研究結(jié)果,建議鍛件成形后采用預(yù)處理+性能熱處理的熱處理工藝,經(jīng)過(guò)熱加工成形后,由于形變應(yīng)力的存在,會(huì)促進(jìn)正火過(guò)程中的元素?cái)U(kuò)散,進(jìn)一步提高組織均勻性。

3 結(jié)論

1) эи866合金鍛件下端面徑向條紋是由帶狀組織引起的,鍛件淬火后存在大量殘留奧氏體,回火冷卻過(guò)程形成脆硬的二次馬氏體,與回火馬氏體呈帶狀交替分布,使硬度不均勻,機(jī)加工后出現(xiàn)徑向條紋。

2) 對(duì)鍛件進(jìn)行二次回火處理,使二次馬氏體分解回復(fù),能夠改善帶狀組織,但難以完全消除;鍛件性能熱處理前,增加預(yù)處理,能夠提高M(jìn)s點(diǎn),淬火后發(fā)生充分的馬氏體轉(zhuǎn)變,形成單一均勻的回火馬氏體,消除帶狀組織。

3) 為提高鍛件組織均勻性,消除徑向條紋,建議采用預(yù)備熱處理+性能熱處理的熱處理工藝。