黃蓓，郭占兵，帥林濤，夏俊華

（中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司 材料工程應(yīng)用研究室, 湖南 株洲412002）

0 引言

1Cr17Ni2屬于馬氏體?鐵素體不銹鋼，組織結(jié)構(gòu)中除了馬氏體外還有鐵素體，具有良好的冷沖壓成型性能，被用于制造航空發(fā)動機(jī)葉片。國內(nèi)外文獻(xiàn)研究了熱處理對顯微組織和力學(xué)性能的影響[1-3]，合金中鐵素體含量對其力學(xué)性能尤其是硬度的影響也有較多研究[4-5]，但缺乏對該材料鐵素體含量的定量評價，且未研究原材料中初始鐵素體含量對經(jīng)熱處理后毛坯件中鐵素體含量的影響。

原材料標(biāo)準(zhǔn)GJB 2294—1995對1Cr17Ni2的δ?鐵素體含量沒有明確的規(guī)定，但是對其硬度要求為HB 3.5~3.8。對于普通葉片而言，其組織中存在的鐵素體含量一般為10%~15%（體積分?jǐn)?shù)，下同）。航空發(fā)動機(jī)葉片熱處理完成后，發(fā)現(xiàn)部分批次存在硬度不均勻且硬度偏低的問題，導(dǎo)致零件整批報廢。本研究由此初步探討化學(xué)成分和熱處理溫度對鐵素體含量的影響，原材料中初始鐵素體含量對毛坯件鐵素體含量影響，以及鐵素體含量與力學(xué)性能之間的關(guān)系。

1 理論分析

抽取硬度合格和不合格零件進(jìn)行金相組織分析，發(fā)現(xiàn)硬度不合格的葉片零件中δ?鐵素體含量高達(dá)20%~25%，而合格零件的δ?鐵素體含量為10%~15%（圖1）。因為鐵素體含量過高會影響鋼的硬度、拉伸以及沖擊韌性等。因此，要求盡量減少鋼中鐵素體含量。

圖1 葉片顯微組織Fig.1 Microstructure of blade parts

1Cr17Ni2屬馬氏體不銹鋼，其主要合金元素為 Cr、Fe、Ni。從成分設(shè)計來看，C、Mn、Si的含量相對穩(wěn)定，因此鐵素體含量主要取決于Cr、Ni 2個主要元素的含量[6-8]。奧氏體形成元素Ni對鐵素體形成有抑制作用，而鐵素體形成元素Cr則促進(jìn)鐵素體的形成，使鐵素體含量增多?？梢酝ㄟ^控制投入爐中的Cr、Ni元素含量，穩(wěn)定其他次要影響元素的含量，使1Cr17Ni2不銹鋼中鐵素體含量控制在理想范圍內(nèi)[9]。

另外，除了成分的偏差會導(dǎo)致鐵素體析出外，淬火溫度的變化也會導(dǎo)致高溫δ?鐵素體大量析出，從而影響材料的力學(xué)性能[10-12]。

2 試驗方案

2.1 化學(xué)成分調(diào)整

按GJB 2294A—2014標(biāo)準(zhǔn)采用中頻感應(yīng)爐熔煉+電渣重熔，對Cr、Ni元素含量進(jìn)行調(diào)整，制備φ50 mm的1Cr17Ni2棒料，其化學(xué)成分見表1。對棒料進(jìn)行淬火+回火后，分別檢測其顯微組織（鐵素體含量），測量室溫拉伸、沖擊、硬度等力學(xué)性能。

2.2 淬火溫度調(diào)整

選取鐵素體含量不同的棒料進(jìn)行淬火+回火處理，淬火溫度分別為 950、980、1010、1030、1070、1110、1130、1140、1150、1160、1180 ℃。熱處理完成后，分別檢查其顯微組織（鐵素體含量）和硬度[13-15]。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 化學(xué)成分對鐵素體含量的影響

對進(jìn)行化學(xué)成分調(diào)整后的棒料進(jìn)行金相組織檢查，結(jié)果見表1和圖2，可見Ⅲ、Ⅳ批次棒料中的鐵素體含量遠(yuǎn)高于Ⅰ、Ⅱ批次的棒料。結(jié)合化學(xué)成分可知，Ⅲ、Ⅳ批次棒料的Cr含量比Ⅰ、Ⅱ批次棒料低，且Ni含量比Ⅰ、Ⅱ批次棒料高。因此，合理地降低鐵素體形成元素Cr的含量，提高奧氏體形成元素Ni的含量，可以有效地控制1Cr17Ni2中鐵素體含量。

圖2 不同批次的 1Cr17Ni2 顯微組織Fig.2 Microstructure of different batches of 1Cr17Ni2

表1 1Cr17Ni2 化學(xué)成分及鐵素體含量Table 1 Chemical composition and ferrite content of 1Cr17Ni2

3.2 淬火溫度對鐵素體含量的影響

選?、?、Ⅲ批次棒料進(jìn)行淬火（不同溫度）+回火后，進(jìn)行金相顯微組織檢查，其鐵素體含量如圖3所示。從圖3可以看出：1）隨著淬火溫度的升高，δ?鐵素體含量有增加趨勢，而δ?鐵素體含量增加的幅度跟原材料中δ?鐵素體含量有著重要關(guān)系。其中，Ⅲ批次棒料由于原材料中的δ?鐵素體含量較多，δ?鐵素體含量隨溫度的增加較明顯，而Ⅰ批次棒料原材料的δ?鐵素體含量較少，δ?鐵素體含量隨溫度的變化不明顯；2）Ⅲ批次棒料原材料中δ?鐵素體含量較多，淬火溫度為980~1150 ℃時，δ?鐵素體含量增加較為平穩(wěn)，增加量不大，但當(dāng)淬火溫度高于1150 ℃之后，δ?鐵素體含量迅速增加。Ⅰ批次棒料原材料中δ?鐵素體含量較少，在1150 ℃之前變化不大，而淬火溫度高于1150 ℃之后，δ?鐵素體含量也有所增加。顯微組織如圖4所示。

圖3 不同溫度淬火+回火后 1Cr17Ni2 的鐵素體含量Fig.3 Ferrite contents of 1Cr17Ni2 after after quenching at different temperatures and tempering

圖4 不同溫度淬火+回火后 1Cr17Ni2 的顯微組織Fig.4 Microstructure of 1Cr17Ni2 after quenching at different temperatures and tempering

3.3 鐵素體含量對力學(xué)性能的影響

對進(jìn)行熱處理后的試驗棒料進(jìn)行室溫拉伸及沖擊試驗，測量結(jié)果見表2?？梢钥闯觯F素體含量對材料拉伸、沖擊及硬度等性能都有較大的影響。Ⅲ、Ⅳ批次棒料由于鐵素體含量較高，抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性及硬度均比Ⅰ、Ⅱ批次棒料低。這是由于原材料經(jīng)淬火+回火熱處理后，顯微組織為回火馬氏體+δ?鐵素體。當(dāng)δ?鐵素體含量較高時，回火馬氏體相對含量減少，又因為δ?鐵素體是一種強(qiáng)度低和塑性差的脆化相，所以造成了抗拉強(qiáng)度及沖擊韌性降低。

表2 棒料力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of 1Cr17Ni2

對熱處理后的Ⅰ、Ⅲ批次棒料進(jìn)行硬度檢測，結(jié)果見圖5。可知，Ⅲ批次棒料δ?鐵素體含量較多，淬火溫度為980~1150 ℃時，δ?鐵素體含量增加較為平穩(wěn)，增加量不大，但隨著淬火溫度高于1150 ℃，δ?鐵素體含量基本呈直線增加，硬度值出現(xiàn)了先升后降。由于Ⅰ批次棒料的δ?鐵素體含量較少，淬火溫度在1150 ℃之前，其硬度值變化不大，而淬火溫度高于1150 ℃之后，δ?鐵素體含量略有增加，硬度變化不明顯。

圖5 棒料經(jīng)不同溫度熱處理后硬度Fig.5 Hardness of different batches after different heat treatment

4 分析與討論

結(jié)合相關(guān)試驗數(shù)據(jù)來看，葉片硬度偏低主要是由1Cr17Ni2合金鋼中δ?鐵素體含量過高造成。1Cr17Ni2合金鋼中，主要元素有C、Cr、Ni，雜質(zhì)元素為Si、Mn，其中Cr、Si為鐵素體形成元素，C、Ni、Mn為奧氏體形成元素。試驗表明，鐵素體形成元素偏高，奧氏體形成元素偏低時，該合金鋼中鐵素體含量會偏高。控制該合金鋼中鐵素體含量，需要控制鐵素體形成元素和奧氏體形成元素比例，特別是Cr、Ni元素含量的比例。

當(dāng)原材料中鐵素體形成元素含量高時，隨著淬火溫度的升高，特別是淬火溫度高于1150℃以后，鐵素體含量迅速增加；當(dāng)鐵素體形成元素含量相對較低時，隨著淬火溫度的升高，鐵素體含量增加不明顯。由于1Cr17Ni2合金鋼中δ?鐵素體相是高溫脆化相，強(qiáng)度和塑性較差，且不能通過常規(guī)熱處理工藝進(jìn)行消除。因此，如果δ?鐵素體相含量過多，該合金鋼經(jīng)淬火+回火熱處理后，抗拉強(qiáng)度及沖擊韌性就會降低。當(dāng)δ?鐵素體含量較少時，δ?鐵素體少量增加對硬度影響不大，主要是由淬火+回火的馬氏體組織起主導(dǎo)作用。但是當(dāng)δ?鐵素體含量大量增加時，造成熱處理后的馬氏體組織相對減少，從而使硬度降低。

5 結(jié)論

1）葉片硬度偏低，與材料中存在較多δ?鐵素體有關(guān)。

2）1Cr17Ni2中δ?鐵素體含量可以通過調(diào)節(jié)Cr、Ni元素含量以及淬火溫度控制。當(dāng)原材料中鐵素體形成元素含量高時，隨著淬火溫度的升高，特別是淬火溫度高于1150 ℃以后，鐵素體含量迅速增加。

3）1Cr17Ni2合金鋼中δ?鐵素體含量過多時，會使熱處理后的抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、硬度等力學(xué)性能降低。

4）通過合理調(diào)節(jié)原材料中Cr、Ni元素的含量，選擇合適的熱處理溫度可以有效減少δ?鐵素體含量，從而提高零件的力學(xué)性能。