熱處理參數對超高強鋼PH13-8Mo組織及性能的影響

裴玉冰 王天劍 范 華

（東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

熱處理參數對超高強鋼PH13-8Mo組織及性能的影響

裴玉冰 王天劍 范 華

（東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

文章對M o含量小于0.6%的PH 13-8M o合金的 熱處理性能 進行了探討， 研 究表明： 當 固溶溫度在850℃ ～950℃之間時， 隨著固溶溫度的增加， 低Mo含量的PH 13-8Mo合金的晶粒尺寸逐漸增大， 當固溶溫度大于950℃時， 合金的晶粒尺寸急劇增大， 從而顯著降低合金的力學性能。 當時效溫度大于540℃時， 合金的抗拉強度及屈服強度開始顯著下降， 沖擊韌性得到提升。 Mo含量為0.57%的PH13-8Mo合金經過合適的熱處理， 其抗拉強度、 塑性及韌性能達到Mo含量為2.3%的PH13-8Mo合金的標準。

PH 13-8Mo； 固溶溫度； 時效溫度； 力學性能

1 前言

PH13-8Mo馬氏體沉淀強化不銹鋼以其超高的強度、優良的抗沖擊腐蝕性能、較好的斷裂韌性、焊接性以及易加工性能，在航空航天領域得到了廣泛的關注。 PH13-8Mo合金經一定溫度固溶時效后， 會析出細小且均勻的球狀第二相β-NiAl相（B2結構）以及部分M23C6型碳化物[1，2]， β-NiAl相及碳化物的析出顯著提高了PH13-8Mo合金的強度。 隨著時效溫度的升高， β-NiAl相會粗化， 但因為β-NiAl相非常細小， 所有。 β-NiAl相經625℃時效4小時后， 其直徑也僅為70A， 而β-NiAl相要與奧氏體基體產生非共格關系時其尺寸應大于15μm[3]，所以β-NiAl相在正常的時效處理過程中會與基體保持良好的共格關系。碳化物隨著固溶溫度的增加而逐漸長大，并且，隨著時效溫度的增加，PH13-8Mo合金中會析出回復奧氏體， 回復奧氏體的出現顯著降低合金的強度，提高合金的韌性。所以， 隨著時效溫度的增加， PH13-8Mo合金的強度及硬度下降， 塑性及沖擊韌性顯著提高[4，5]。

目前已有大量學者對Mo含量為2.0%～2.5%的PH13-8Mo合金的性能進行了研究， 研究表明：PH13-8Mo合金經合理的固溶和時效處理后， 抗拉強度Rm可以達到1520MPa， 屈服強度Rp能夠達到1420MPa， V型沖 擊值KV2大于 20J[6]。 PH13-8Mo合金對氫含量較為敏感，合金中氫含量過多會嚴重影響合金的斷裂韌性[7，8]。 最近， 對于低Mo含量的PH13-8Mo合金的研究正在進行。 Mo含量的減少會降低有害相的析出， 但同時Mo含量的減少也會削弱固溶強化的作用， 本文運用Thermo-Calc熱力學計算軟件分析了不同Mo含量對PH13-8Mo合金析出相的影響， 并通過調整低Mo含量的PH13-8Mo合金的熱處理工藝參數， 使其力學性能達到高Mo含量PH13-8Mo合金的標準。

2 熱力學計算

圖1 Mo 含量對 PH13-8Mo 析出相及析出溫度的影響

作者在前期對Mo含量為2.3%的PH13-8Mo進行了一定的研究， 據相關文獻可知， 目前低Mo含量的PH13-8Mo合金已運用于汽輪機領域， 為了明確高Mo含量和低Mo含量的區別， 本文采用了Thermo-Calc熱力學計算軟件計算不同Mo含量對析出相及其質量分數的影響， 并對600℃、 500℃及450℃3個溫度下的析出相及其質量分數進行分析， 其結果如圖1所示。 由圖1可知， PH13-8Mo可能出現的相有鐵素體、 奧氏體、 M23C6、 χ、 μ及σ。 鐵素體含量隨Mo含量的增加而逐漸減少； 奧氏體含量隨Mo含量的增加逐漸增加； M23C6幾乎不隨Mo含量及溫度的變化而變化； χ、 μ、 σ相都為有害相， 且隨Mo含量的增加而增加， 當Mo含量小于0.6%時，χ、 μ及σ相不析出。 奧氏體、 χ及μ相的析出溫度隨著Mo含量的增加而增加， 鐵素體、 M23C6及σ相的析出溫度變化不大， NiAl相的析出溫度隨Mo含量的增加而降低， 當Mo含量大于1.0%時， NiAl相的析出溫度保持不變。 雖然Mo元素能起到固溶強化的作用，并可以減小熱膨脹系數，但是，因為Mo元素能促進有害相的形成， 使得合金易在χ、μ、 σ相的析出處形成裂紋， 對合金的安全使用帶來隱患。 所以， 降低PH13-8Mo合金中的Mo元素含量，可以有效地降低合金中的有害相，有利于阻止裂紋的形成和擴展，有效地提高合金的性能，但是， Mo含量的減少同時削弱了合金的固溶強化作用，會降低合金的力學性能。因此，本文主要通過調整熱處理工藝， 使低Mo含量的PH13-8Mo合金在減少裂紋形成幾率和裂紋擴展速度的同時，其力學性能能夠達到高Mo含量PH13-8Mo合金的標準。

3 試驗方法

3.1 試驗材料

試樣用料要求Mo含量小于0.6%， 其具體的成分見表1。

表1 PH13-8Mo合金的化學成分 （w t%）

3.2 試驗方法

研究固溶溫度、 時效溫度對低Mo含量的PH13-8Mo合金力學性能的影響。 考慮時效溫度對合金性能的影響時， 將PH13-8Mo合金在925℃保溫1h進行固溶， 油冷至室溫， 然后分別在485℃、510℃、 540℃、 565℃、 595℃和620℃進行4h的時效，空冷至室溫?？紤]固溶溫度對合金性能的影響時， 將PH13-8Mo合金分別在850℃、 875℃、900℃、 925℃和950℃保溫1h進行固溶， 油冷至室溫， 然后在540℃進行4h的時效， 空冷至室溫。

用FeCl3溶液對PH13-8Mo合金進行化學腐蝕，在ZEISSAxiovert 40MAT光學顯微鏡下進行金相觀察， 用JSM-6490LV掃描電鏡進行斷口分析。

4 試驗結果及分析

圖2及圖3為不同時效溫度下低Mo含量的PH13-8Mo的微觀組織及力學性能。 由圖2可知，低Mo含量的PH13-8Mo經固溶和時效處理后， 得到馬氏體組織。 當時效溫度為510℃時， 抗拉強度及屈 服 強 度 達 到 最 大 值 ， 分 別 為 1650MPa 和1550MPa， 此時的V沖擊韌性非常低， 僅為3J。620℃時效時的抗拉強度和屈服強度比510℃時效時的抗拉強度和屈服強度分別降低了36%和48%， V型沖擊韌性為510℃時效時的75倍。 隨著時效溫度的升高， 馬氏體中的碳化物及β-NiAl相都發生粗化， 從而減弱了碳化物及β-NiAl相對合金的強化作用。 同時， PH13-8Mo合金在淬火的過程中會存在殘余奧氏體，在時效的過程中會產生回復奧氏體，從而使得合金的強度下降，塑性及沖擊韌性顯著上升。

圖2 時效溫度對PH13-8Mo合金 （Mo=0.57）微觀組織的影響

圖3 時效溫度對PH13-8Mo合金 （Mo=0.57）力學性能的影響

圖4 及圖5為不同固溶溫度下低Mo含量的PH13-8Mo合金的微觀組織及力學性能。 由圖4可知，隨著固溶溫度的增加，晶粒尺寸逐漸增大，當固溶溫度高于950℃時， 晶粒急劇長大。 850℃固溶時平均晶粒尺寸約為5μm， 此時合金具有較好的強度與韌性的配合， 此時低Mo含量的PH13-8Mo合金的力學性能能夠達到高Mo含量的PH13-8Mo合金在最佳熱處理狀態下的力學性能。當固溶溫度為950℃時， 平均晶粒尺寸約為80μm， 合金的抗拉強度、屈服強度、延伸率及斷面收縮率顯著下降，V型沖擊韌性隨固溶溫度的增加劇烈減少。 950℃固溶時， 其抗拉強度和屈服強度相比于850℃時效時的抗拉強度和屈服強度分別降低了5%和8%， 降低幅度較小，但是V型沖擊韌性卻有大幅度降低，950℃固溶時的V型沖擊韌性比850℃固溶時的V型沖擊韌性降低了82%。 由圖1 （d）可知， 在平衡態下， 700～900℃之間， 析出的相主要有鐵素體相、 奧氏體相、 M23C6及χ相。 因為合金的Mo含量低， χ相減少， 削弱了χ相對晶界的釘扎作用， 同時， 隨著固溶溫度的升高， M23C6大量溶入奧氏體中，減少了固溶過程中對晶粒長大的阻礙，從而使得奧氏體晶粒隨固溶溫度的增加而增加，進一步影響合金的性能。

圖4 固溶溫度對PH 13-8Mo合金 （Mo=0.57）微觀組織及晶粒尺寸的影響

圖5 固溶溫度對PH13-8Mo合金 （Mo=0.57）的力學性能的影響

圖6 為850℃和950℃固溶時合金沖擊試樣的斷口形貌。 由圖6 （a）可知， 850℃固溶時， 斷口為典型的韌性斷口，斷口兩側有剪切唇，靠近切口的部位存在纖維區，斷口呈暗灰色，表面無金屬光澤。 由圖6 （c）可知， 850℃固溶時， 斷口的微觀形貌韌窩較多，存在撕裂棱。當固溶溫度為950℃時， 作為韌性斷口標志之一的剪切唇消失，且斷口光滑平整，斷口顏色光亮有金屬光澤，如圖6 （b）所示。 在圖6 （d）中， 950℃固溶時斷口的微觀形貌為扇形花樣，且存在韌性斷裂的撕裂棱，其斷口為準解理斷口。

對比高Mo含量的PH13-8Mo合金 （Mo含量在2.0%～2.5% 之 間）和 低Mo含 量的PH13-8Mo合 金（Mo含量為0.57%）的熱處理制度可知， 如要滿足Rm≥1520MPa， Rp0.2≥1420MPa， KV2≥20J， 對于高Mo含量的PH13-8Mo合金， 常用的熱處理制度為925℃固溶和510℃時效； 對于低Mo含量的PH13-8Mo合金， 在925℃固溶和510℃時效的熱處理制度下， 其抗拉強度及屈服強度與高Mo含量的PH13-8Mo合金的性能相當， 但沖擊韌性遠低于高Mo含量的PH13-8Mo合金。 對于低Mo含量的PH13-8Mo合金，若要得到良好的強度與韌性的匹配，需要降低合金的固溶溫度。原因有兩個，其一由Thermo-Calc熱力學軟件的計算可知， 低Mo含量的PH13-8Mo合金的完全奧氏體化溫度比高Mo含量的PH13-8Mo合金的完全奧氏體化溫度低了約35℃，從而低Mo含量的PH13-8Mo合金的最佳固溶溫度應比高Mo含量的PH13-8Mo合金的最佳固溶溫度要低。 在925℃的固溶溫度下， 低Mo含量的PH13-8Mo合金因固溶溫度過高， 使得晶粒長大， 從而降低了合金的強度和韌性。 另一個原因是因為Mo含量減少，使得雜質相減小，從而縮短了雜質相完全固溶進奧氏體基體的過程，同時，也削弱了雜質相對晶粒長大的阻礙作用， 所以低Mo含量的PH13-8Mo合金的最佳固溶溫度應比高Mo含量的PH13-8Mo合金的最佳固溶溫度低。

圖6 850℃和950℃固溶時沖擊試樣的斷口形貌

本文僅對低Mo含量的PH13-8Mo合金的力學性能及金相組織做了一定的分析， 對于低Mo含量PH13-8Mo合金和高Mo含量PH13-8Mo合金在析出相上的改變僅做了模擬計算，并未進行實驗驗證，后續的研究工作將補充本論文中的不足并在微觀層次上進行更深入地研究。

5 結論

（1）時效溫度對低Mo含量的PH13-8Mo合金力學性能的影響非常顯著， 時效溫度在485～620℃之間時， 當時效溫度大于540℃， PH13-8Mo合金（Mo=0.57）的抗拉強度、 屈服強度顯著下降， 延伸率、斷面收縮率及V型沖擊韌性明顯上升。

（2）固溶溫度強烈影響低Mo含量的PH13-8Mo合金的晶粒尺寸， 當固溶溫度在850～950℃之間時， 隨著固溶溫度的升高， PH13-8Mo合金的晶粒尺寸逐漸長大，從而降低合金的強度、塑性及韌性。

（3）Mo含量為0.57%的PH13-8Mo合金經過合適的熱處理，其抗拉強度、塑性及韌性能達到Mo含量為2.3%的PH13-8Mo合金的標準。

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Effects of Heat Treatm ent on Microstructure and Mechanical Property of High Strength Steel PH13-8Mo

Pei Yubing， Wang Tianjian， Fan Hua
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

This paper introduces the effects of heat treatmenton PH13-8Mo（Mo＜0.6%）.The result shows that the grain size of low molybdenum PH13-8Mo increases with the raise of solution temperature when the solution temperature range is 850℃ ～950℃ . When solution temperature is more than 950℃,the grain size increases rapidly,and the mechanical property reduces obviously. When aging temperature ismore than 540℃， tensile strength and yield strength of low molybdenum PH13-8Mo decrease and the charpy impact strength raises relatively.Themechanical property of 0.57%molybdenum PH13-8Mo alloy can achieve the standard of the 2.3%molybdenum PH 13-8Mo alloy after suitable heat treatment.

PH 13-8Mo,solution temperature,aging temperature,mechanical propety

裴玉冰 （1983-）， 女， 碩士研究生， 助理工程師， 畢業于清華大學機械工程系材料科學與工程專業， 現就職于東方汽輪機有限公司材料研究中心，從事葉片材料、不銹及耐熱鋼材料的研發工作。