T250馬氏體時效鋼晶粒細化熱處理

西安長峰機電研究所 陜西西安 710065

1 序言

20世紀80年代，國際鎳公司（INCO）研制出無鈷馬氏體時效鋼T250，該鋼在C250基礎上去掉Co元素，降低Mo含量，增加了Ti含量，性能接近C250[1]。1995年，國內撫順特有限公司、鋼鐵研究總院與西安長峰機電研究所聯合成功研制國產T250鋼。目前，T250鋼憑借超高強度和較好的韌性，已廣泛應用于發動機燃燒室殼體。

某型號T250鋼發動機燃燒室殼體（以下簡稱“殼體”）由前后連接環和筒體組焊成形，是發動機上承受高溫、高壓的關鍵部件。試制殼體在水壓測試過程中發生開裂。

本文以水壓試驗過程中開裂的殼體為對象，通過光學顯微鏡和掃描電鏡觀察開裂部位的微觀形態、斷口形貌，分析了裂紋與金相組織的關系，找到造成水壓裂紋形成的直接原因，提出并驗證了預防水壓裂紋的熱處理措施。

2 試驗方法及結果分析

殼體加工工藝流程為：原材料→鍛造→毛坯固溶→一道次旋壓→道次間固溶→二道次旋壓→旋壓筒體時效→切頭組焊前后連接環→焊后時效。

本次失效分析針對該殼體熱加工過程進行，取樣編號，見表1。

2.1 掃描電鏡斷口分析

對取樣進行斷口掃描觀察（見圖1），Y1是非正常的脆性斷口，呈沿晶斷裂，組織非常粗大；Y2樣品斷口正常，屬于韌性斷口，主要以韌窩為主；1S、2S、SY2均為非正常的脆性斷口，呈沿晶斷裂；SY1是混合斷口，以準解理為主，伴隨著少部分沿晶斷裂，主要分布在夾雜物形成的孔洞處。

表1 試樣標記

圖1 斷口形貌觀察

2.2 金相分析

經金相觀察，試樣的晶粒都非常粗大，如圖2所示。Y1、Y2樣品的晶粒度分別為2.5級和2.0級，經過重新鍛造的1S和2S試樣的晶粒度為2級。產品狀態SY2的晶粒同樣非常粗大，晶粒度為1.5級。

圖2 晶粒度

原始狀態Y1非正常斷裂的形式均為沿晶的脆性斷裂，主要是因晶粒和組織粗大而造成的，晶界處未發現析出相。

經過鍛造（1S、2S）和水壓試驗的（SY1、SY2）樣品經過熱加工后組織不僅沒有細化，個別的晶粒尺寸比鍛造以前還要粗大，說明鍛造工藝存在問題，或鍛打次數和終鍛溫度存在問題，沒能夠細化組織，造成沿晶脆性斷裂。

3 改進措施及效果驗證

針對馬氏體時效鋼，分別采用一次正火和雙重正火處理的方式細化晶粒[2]。將原有試樣重新編號，按照新的熱處理制度再次進行處理，見表2。

經過正火處理后，試樣晶粒度有明顯的改善，并且雙重正火的晶粒細化效果明顯好于一次正火。正火處理細化的金相組織如圖3所示，晶粒度的評級結果見表3。通過正火處理，在金相組織中，未發現晶界處存在析出相。

表2 試樣熱處理制度

圖3 金相組織

表3 晶粒度評級結果 （級）

通過上述試驗論證，將同批鍛件加工流程調整為：（原材料→鍛造）→雙重正火→毛坯固溶→一道次旋壓→道次間固溶→二道次旋壓→旋壓筒體時效→切頭組焊前后連接環→焊后時效。

對加工殼體逐件進行水壓試驗，采用上述流程加工的殼體，水壓期間未出現開裂失效及其他失效現象，滿足設計水壓相關要求。

4 結束語

1）殼體材料晶粒粗大是造成殼體水壓開裂失效的直接原因。

2）T250馬氏體時效鋼通過正火處理，可以細化晶粒。

3）T250馬氏體時效鋼采用雙重正火細化晶粒的效果，優于一次正火。