эи866合金锻件径向条纹形成原因与消除工艺

杨树林, 赵吉庆, 闫 磊, 杨 钢

(1. 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司, 辽宁 沈阳 110043;2. 钢铁研究总院有限公司 特殊钢研究院, 北京 100081)

эи866合金是前苏联发明的一种航空耐热钢,对应的国内牌号为1Cr16Co5Ni2MoWVNbN,含有质量分数16%的Cr,同时添加Mo、W等固溶强化元素,V、Nb等强碳化物形成元素,兼具优良的耐蚀性、抗氧化性与热强性,在航空发动机上获得了大量应用,用于制造压气机叶片、盘件、环件,以及发动机用轴颈、紧固件等关键部件[1-4]。

эи866合金成分体系非常复杂,不但合金元素种类多,含量也非常高,W、Mo、Nb等元素在冶炼过程极易偏析,使该材料的冶炼、锻造难度非常大[5-6]。棒材或锻件经常出现带状组织等微观缺陷,引起力学性能波动,甚至不合格,对于较为精密的零部件,还会影响探伤合格率。本文以机加工后出现径向条纹的эи866合金锻件为研究对象,通过微观组织分析与力学性能测试,研究了探伤缺陷产生的原因,以及消除缺陷的热处理工艺。

1 试验材料与方法

试验材料为эи866合金锻件,锻后经过1070 ℃淬火+680 ℃回火性能热处理后,机加工成零件,在底部观察到大量沿直径方向分布的“水波纹”(下文统称为径向条纹),见图1。

图1 锻件样品底部的径向条纹Fig.1 Radial stripes at the bottom of the forged specimen

利用线切割,从带有径向条纹的锻件上切取显微组织试样与弦向拉伸试样,进行微观组织与力学性能测试分析。受零件尺寸限制,拉伸试样为标距直径φ3 mm的非标准试样。显微组织试样切取整个纵截面,研磨抛光后,用CuCl2+FeCl3+HCl+H2O+酒精的腐蚀液浸蚀,在Olympus GX51图像分析仪下观察其显微组织。采用Formast-F Ⅱ试验机,通过记录材料在加热与冷却过程中的体积膨胀,测量钢的相变点。XRD试样尺寸为30 mm×20 mm×4 mm,经砂纸研磨、电解抛光后,采用德国布鲁克D8 ADVANCE X射线衍射仪对钢中的残留奥氏体进行定量分析。根据YB/T 5338—2019《钢中奥氏体定量测定 X射线衍射仪法》中五线六对法计算残留奥氏体的体积分数。采用LOS600拉伸试验机,按GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》进行室温拉伸性能测试,采用德KB 30 SR-FA型显微硬度计,按GB/T 4340.1—2009《金属维氏硬度试验 第1部分:试验方法》进行显微硬度测试,载荷砝码10 kg,加载时间10 s。

2 试验结果分析与讨论

2.1 径向条纹形成原因分析

从锻件切取的金相试样腐蚀后的宏观形貌见图2,可以看到,上端面腐蚀后比较均匀的失去金属光泽,表面呈现灰白色,下端面与中间位置腐蚀后不均匀,灰白色与暗亮色的区域交替分布,呈现带状特征。不同试样成分或组织在浸蚀后会表现不同的表面形貌,由此可见,锻件下端面与中间位置的成分或组织是不均匀的。

图2 锻件试样纵截面腐蚀后的宏观形貌Fig.2 Macromorphology of the longitudinal profile of the forged specimen after etching

试样上端面、下端面2个位置的显微组织见图3。由图3可见,上下端面的组织都不均匀,上端面观察到大量的回火板条马氏体(黑色)与白色块状组织交替分布,白色块状组织的分布表现出轻微的带状特征,下端面可以观察到明显的带状组织,沿着直径的方向分布。对下端面不同衬度的组织进行显微硬度测试,白色块状组织的平均硬度值384 HV10,明显高于回火马氏体平均硬度值329 HV10。白色带状组织的硬度与淬火马氏体相符,由于锻件经过了680 ℃回火处理,白色带状组织应为回火后形成的二次马氏体。

图3 锻件试样上、下端面的显微组织(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

钢中的二次马氏体一般是由残留奥氏体在回火后形成的,为了验证上述结果,采用XRD对锻件试样纵截面中下端位置的残留奥氏体进行了定量分析,结果见图4。按照YB/T 5338—2019中的五线六对法,根据(200)α、(211)α和(200)γ、(110)γ、(311)γ衍射峰的相对强度,对残奥含量进行了计算,体积分数为12.36%。锻件淬火后,存在大量未完成转变的残留奥氏体,在回火冷却过程中,部分残留奥氏体形成了高硬度的二次马氏体[7-10],使锻件硬度不均匀,机加工时在组织均匀性最差的下端面出现大量径向条纹,分布方向与二次马氏体形成的带状组织完全一致。

图4 锻件试样纵剖面下端残留奥氏体XRD图谱Fig.4 XRD pattern of retained austenite in the bottom part of the forged specimen longitudinal profile

钢铁材料中的带状组织大多由成分偏析引起,对于高合金钢,在熔铸过程中易产生晶间偏析,Co、Ni、W、Mo等合金元素不易均匀化,合金元素贫化带与富化带彼此交替堆叠,奥氏体化后的冷却过程中,不同成分的条带将形成不同类型的组织[11-12]。эи866合金中的Cr、Mo、W、Nb等元素在冶炼过程中极易发生偏析,从而影响Ms点。式(1)为马氏体钢Ms点的经验公式[13],假设Cr、Mo、W元素按1倍偏析计算,Ms点下降约200 ℃。

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

(1)

式中:各元素符号表示该元素的质量分数。

采用热膨胀仪测试了эи866合金中限成分下的Ms点为125 ℃,根据经验公式的计算结果,Cr、Mo、W等元素的偏析很容易使局部区域的Ms点降至室温以下,从而在淬火油冷后无法发生马氏体转变,形成大量残留奥氏体。680 ℃高温回火过程,钢中会析出第二相碳化物,使基体合金量下降,Ms点随之提高,回火冷却过程,未发生转变的残留奥氏体会发生马氏体相变,形成脆硬的二次马氏体。表1为存在带状组织的锻件与正常组织锻件的拉伸性能对比,可见二次马氏体的产生,不但会导致硬度不均匀,使锻件机加工后产生径向条纹,还会造成塑韧性下降,影响锻件的应用。

表1 不同组织类型锻件的拉伸性能

2.2 带状组织的消除工艺

将观察到严重径向条纹的试样,分别进行680 ℃×2 h(空冷)二次回火处理与预处理+性能热处理,预处理+性能处理工艺为1090 ℃×1 h(空冷)+680 ℃×2 h(空冷)。两种工艺处理后,试样下端面的显微组织见图5。680 ℃二次回火后,带状组织得到有效改善,但显微组织中仍能观察到大量白色块状区域,显微硬度虽降至375～385 HV10,仍偏高。预处理+性能热处理后,显微组织单一均匀,为回火马氏体,白色块状组织和带状分布特征完全消失,显微硬度进一步降至350～360 HV10,恢复至正常回火马氏体的硬度水平。由此可见,采用二次回火能够有效改善带状组织,但不能完全消除,采用预处理+性能热处理能够完全消除带状组织。带状组织消除后,对锻件重新机加工,下端面的径向条纹随之消除(见图6),纵剖面腐蚀后组织均匀。

图5 不同热处理工艺下锻件试样下端面的显微组织(a)二次回火;(b)预处理+性能热处理Fig.5 Microstructure of bottom surface of the forged specimens under different heat treatment processes(a) secondary tempering; (b) preheat treatment+performance heat treatment

图6 带状组织消除后锻件试样下端面(a)与纵剖面(b)宏观形貌Fig.6 Macromorphologies of the bottom surface(a) and longitudinal profile(b) of the forged specimen after banded structure eliminating

上文分析结果已证明,径向条纹产生的根源是残留奥氏体转变的二次马氏体,因此消除钢中的残留奥氏体与二次马氏体是解决径向条纹与带状组织的关键。锻件热处理后,补充二次回火处理,一次回火后形成的二次马氏体会发生分解,转变为回火马氏体,从而消除了组织差异,使带状组织形貌得到明显改善,并降低硬度。二次回火后,从锻件下端面取样测量残留奥氏体含量,体积分数为3.58%,冷却过程会再次发生马氏体转变,因此二次回火后钢中仍存在白块组织,硬度也偏高。

采用预处理+性能热处理工艺,实际是对锻件进行了重新热处理,改善带状组织的机理与二次回火不同。首先对锻件进行了1090 ℃正火处理,保温过程中合金元素能够发生一定程度的扩散,提高锻件的成分均匀性。钢中含有的V、Nb等强碳化物形成元素,Cr、Mo等碳化物形成元素,在680 ℃高温回火过程中,会随着C的脱溶析出,形成第二相碳化物,降低基体的合金含量。Cr、Mo、V、Nb元素在基体中含量的下降,均能提高钢的Ms点,使材料在淬火冷却过程发生比较充分的马氏体转变,降低淬火后的残奥含量。预处理+性能热处理后,锻件下端面取样测试残奥含量,体积分数仅为0.68%,可以认为获得了单一均匀的回火马氏体,因此带状组织完全消失,硬度也进一步降低。

根据上述研究结果,建议锻件成形后采用预处理+性能热处理的热处理工艺,经过热加工成形后,由于形变应力的存在,会促进正火过程中的元素扩散,进一步提高组织均匀性。

3 结论

1) эи866合金锻件下端面径向条纹是由带状组织引起的,锻件淬火后存在大量残留奥氏体,回火冷却过程形成脆硬的二次马氏体,与回火马氏体呈带状交替分布,使硬度不均匀,机加工后出现径向条纹。

2) 对锻件进行二次回火处理,使二次马氏体分解回复,能够改善带状组织,但难以完全消除;锻件性能热处理前,增加预处理,能够提高Ms点,淬火后发生充分的马氏体转变,形成单一均匀的回火马氏体,消除带状组织。

3) 为提高锻件组织均匀性,消除径向条纹,建议采用预备热处理+性能热处理的热处理工艺。