淬火、回火制度對M152合金機匣組織性能的影響

魏 鑫 ，楊 鋼 ，李昌永 ，趙興東

（1.中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司,沈陽110043；2.鋼鐵研究總院,北京100081）

0 引言

M152合金是1種12%Cr馬氏體熱強不銹鋼，由13%Cr鋼發展而來，普通13%Cr鋼的應力極限是700～800 MPa[1-2]，降低回火溫度，可提高極限應力，但是延伸率、沖擊值和抗應力腐蝕開裂性會降低，以致不能使用[3]。為了滿足先進航空發動機部件的強度要求，美國于20世紀80年代末研制開發出一系列強度更高的12Cr鋼，并已實際應用[4-7]。M152合金通過在12Cr鋼基礎上添加少量合金元素提高綜合力學性能，主要添加Mo進一步提高了抗回火性能和自硬性，具有較高的中溫抗蠕變性能、抗疲勞性能和抗腐蝕性能，及滿意的焊接性能和成型性能，可在500℃以下使用[8-13]。與其它不銹鋼相比，M152合金具有導熱性較好、線膨脹系數小、減振性較高等特點，同時能夠避免“鈦火”問題的發生，在國外已廣泛應用于制造CMF56等發動機的前機匣等零件，并且大量用于制造超（超）臨界機組汽輪機末級葉片及緊固件[14-16]。

隨著國產大型運輸機及其發動機的自主制造，國內開展M152合金機匣零件的研制，某發動機大型機匣毛坯采用該材料鍛造成形。由于屬首次應用，對其熱處理制度與組織性能的對應關系的研究較少。本文通過分析淬火、回火熱處理制度對其性能影響，摸索大規格M152合金鍛件在不同熱處理制度下的性能特點，為鍛件生產工藝的制定及熱處理制度的選擇提供參考。

1 試驗材料及試驗過程

試驗選用1Cr12Ni3Mo2VN（M152）合金機匣鍛件，其化學成分見表1。

表1 M152合金鍛件的化學成分

將M152合金機匣鍛件沿直徑方向9等分，并切取弦向力學性能試樣，分別按不同的淬火工藝和回火工藝進行熱處理，具體工藝及試樣數量見表2。

表2 熱處理工藝

光學顯微組織觀察使用SISC-IAS-6.0圖像分析儀，試樣用10%Cr2O3電解液電解腐蝕。拉伸試驗在WE-300型拉伸試驗機上進行，采用d0=5 mm的標準試樣；沖擊試驗在JBN-300B型沖擊試驗機上進行，采用標準10 mm×10 mm×55 mm的V型缺口試樣，所有數據均為2個試樣的平均值。

2 試驗結果與分析

2.1 淬火溫度對組織和力學性能的影響

在565℃、2 h、空冷回火制度下，淬火溫度對M152合金力學性能的影響如圖1所示。隨淬火溫度的提高，M152合金強度、硬度略微提高，塑性變化不大，沖擊功顯著減小，1040℃淬火后減小至80 J，1070℃淬火，雖有所增大，但仍顯著低于1010℃淬火沖擊功。由此可見，淬火溫度主要影響鍛件的沖擊韌性，對強度、硬度的影響不大。

圖1 淬火溫度對M152合金力學性能的影響

淬火溫度對金相顯微組織的影響如圖2所示。隨淬火溫度的提高，M152合金晶粒長大，馬氏體板條發生了粗化。1040℃淬火，部分晶粒開始長大，形成明顯的混晶組織，導致沖擊功顯著減小；1070℃下淬火，晶粒進一步長大，雖然組織粗化顯著，但混晶現象有所改善，組織均勻性得到提高，可能是沖擊功有所增大的原因。

圖2 淬火溫度對M152合金金相顯微組織的影響

2.3 淬火冷卻速度對力學性能的影響

在565℃、2 h、空冷的回火制度下，1040℃淬火冷卻速度對M152合金力學性能的影響如圖3所示。其中，淬火油冷的冷卻速度約為600℃/min，爐冷的冷卻速度約為5℃/min。

圖3 淬火冷卻速度對M152合金力學性能的影響

從圖中可見，隨1040℃固溶后的淬火冷卻速度降低，抗拉強度變化不大，屈服強度逐漸降低；延伸率變化不大，面縮率略有降低；沖擊值先增大后減小；硬度在慢速冷卻狀態的整體數值均勻，明顯低于油冷狀態。

淬火冷卻方式對M152合金金相顯微組織的影響如圖4所示。隨1040℃固溶后淬火冷卻速度的降低，金相顯微組織未見明顯變化。值得注意的是，爐冷條件下形成的板條狀馬氏體較粗且連續性與分布規律性較強，而如前所述，同一晶粒內的馬氏體的排列與分布越均勻一致，合金的韌性越好，因此該種處理狀態下的斷裂韌性明顯優于其他2種處理狀態。隨著冷卻速度進一步降低，晶粒顯著長大，強度、沖擊明顯下降。

圖4 淬火冷卻方式對M152合金金相顯微組織的影響

2.4 回火溫度對力學性能的影響

在1040℃、1h、油冷淬火制度下，回火溫度對M152合金力學性能的影響如圖5所示。隨回火溫度的升高，M152合金的強度與硬度值均逐漸降低，延伸率變化不大，斷面收縮率略有降低，沖擊值在585℃回火條件下大幅度增大，繼續提升回火溫度至605℃，則小幅度下滑，但仍高于565℃回火處理條件下的值。

圖5 回火溫度對M152合金力學性能的影響

回火溫度對M152合金金相顯微組織的影響如圖6所示。從圖中可見，M152合金的金相顯微組織看不出明顯的區別，但隨回火溫度的提高，晶粒會發生顯著回復與再結晶過程，導致強度、硬度降低。此時，合金的韌性得到顯著提升，沖擊值從80 J大幅度增大至200 J；但回火溫度過高時，則也可能存在碳化物M23C6的大量析出現象，而碳化物的增加以及碳化物的粗化是導致韌性小幅度降低的主要原因[13]。

圖6 回火溫度對M152合金金相顯微組織的影響

2.6 回火冷卻方式對M152合金力學性能的影響

在1040℃、1 h、油冷淬火制度下，565℃回火冷卻方式對M152合金力學性能的影響如圖7所示。從圖中可見，隨565℃回火后的冷卻速度降低，M152合金的屈服強度略有提高，但硬度值卻逐步降低，塑性變化不大，沖擊值略有增大，沒有發生顯著的脆化現象。

圖7 回火冷卻方式對M152合金力學性能的影響

回火后冷卻方式對M152合金金相顯微組織的影響如圖8所示。隨565℃回火后冷卻速度的降低，在2種爐冷條件下M152合金的晶粒回復長大過程明顯，且組織均勻性也隨冷卻速度的減慢而增加，從而合金的沖擊值逐步增大，相比空冷的80 J，提升至120 J。晶粒的回復長大也顯著降低了合金的硬度，但此時馬氏體板條處晶界析出的碳化物增加，導致屈服強度不僅未出現明顯降低，還略有提高。

圖8 回火冷卻方式對M152合金金相顯微組織的影響

綜上所述，提高淬火溫度，強度、硬度、塑性變化不大，但沖擊功顯著下降，組織粗化明顯；降低淬火冷速，屈服強度下降明顯，采用爐冷沖擊功雖較高，但硬度下降顯著，采用1℃/min冷卻，沖擊功下降顯著；提高回火溫度，強度、硬度下降顯著，降低回火冷速，硬度下降顯著，因此鍛件熱處理工藝采用1010℃淬火，油冷+565回火，空冷，可實現強度、韌性的良好匹配。

3 結論

（1）隨淬火溫度的提高，M152合金的強度、硬度略微提高，塑性變化不大，沖擊值降低；隨淬火冷卻速度降低，M152合金的抗拉強度變化不大，屈服強度和塑性略有降低，硬度與沖擊功變化復雜，沖擊值先升后降；硬度先降后升。

（2）隨回火溫度的提高，M152合金的強度、硬度、逐漸下降，延伸率變化不大，斷面收縮率略有下降，沖擊功先升后降；隨回火冷卻速度降低，M152合金的屈服強度略有增加，塑性變化不大，沖擊值略有增加，硬度顯著下降。

（3）M152合金鍛件熱處理工藝采用1010℃淬火、油冷+565℃回火、空冷，可實現強度、韌性的良好匹配。

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