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T250无钴马氏体时效钢研制

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T250马氏体时效钢晶粒细化热处理

T250马氏体时效钢晶粒细化热处理

2021年第2期热加工77热处理Heat Treatment1 序言20世纪80年代，国际镍公司（INCO）研制出无钴马氏体时效钢T250，该钢在C250基础上去掉Co元素，降低Mo含量，增加了Ti含量，性能接近C250[1]。

1995年，国内抚顺特有限公司、钢铁研究总院与西安长峰机电研究所联合成功研制国产T250钢。

目前，T250钢凭借超高强度和较好的韧性，已广泛应用于发动机燃烧室壳体。

某型号T250钢发动机燃烧室壳体（以下简称“壳体”）由前后连接环和筒体组焊成形，是发动机上承受高温、高压的关键部件。

试制壳体在水压测试过程中发生开裂。

本文以水压试验过程中开裂的壳体为对象，通过光学显微镜和扫描电镜观察开裂部位的微观形态、断口形貌，分析了裂纹与金相组织的关系，找到造成水压裂纹形成的直接原因，提出并验证了预防水压裂纹的热处理措施。

2 试验方法及结果分析壳体加工工艺流程为：原材料→锻造→毛坯固溶→一道次旋压→道次间固溶→二道次旋压→旋压筒体时效→切头组焊前后连接环→焊后时效。

本次失效分析针对该壳体热加工过程进行，取样编号，见表1。

2.1 扫描电镜断口分析对取样进行断口扫描观察（见图1），Y1是非正常的脆性断口，呈沿晶断裂，组织非常粗大；Y2T250马氏体时效钢晶粒细化热处理袁钰坤，葛莉娜，张鹏博，朱伟强，郭刚西安长峰机电研究所 陕西西安 710065摘要：某型号T250马氏体时效钢发动机燃烧室壳体在水压过程中开裂。

针对壳体开裂失效展开分析，采用光学显微镜和扫描电镜观察裂纹形态，断口形貌，分析裂纹与金相组织的关系，综合判断晶粒粗大是造成壳体水压开裂的主要原因，提出并验证T250马氏体时效钢晶粒细化的措施。

关键词：开裂失效；晶粒粗大；时效钢表1 试样标记标记状态说明Y1原材料1号时效态Y2原材料2号时效态1S旋压筒体时效后2S焊后时效后SY1水压时效壳体取样1号SY2水压失效壳体取样2号a）Y1 b）Y2c）1S d）2Se）SY1 f）SY2图1 断口形貌观察2021年第2期热加工78热处理Heat Treatment样品断口正常，属于韧性断口，主要以韧窝为主；1S、2S、S Y2均为非正常的脆性断口，呈沿晶断裂；SY1是混合断口，以准解理为主，伴随着少部分沿晶断裂，主要分布在夹杂物形成的孔洞处。

T250无钴马氏体时效钢薄壁件焊接工艺试验

T250无钴马氏体时效钢薄壁件焊接工艺试验
然 后 采 用Ｔ ２ ５ ０圆钢 经 锻 造 、 旋压 、 固溶 处 理 和 切
２ ． １ 片状 试 件 的对 接 焊 对焊 接试 件 进 行 焊 前 清 理 之 后 ， 采 用 钨 极 氩 弧 焊
对试 件进 行 焊接试 验 。焊 机 为 唐 山松 下 产 业机 器 有 限
收 稿 日期 ：２ ０ １ ７— ０ １ 一ｌ ８
２ ． ３ 角焊 缝焊 接试 验 Ｉ ２ ５ ０钢薄壁 件 的角焊 缝 焊 接试 验 仍 采用 钨 极 脉 冲 氩弧 焊 。焊 机仍为唐 山松下产业 机器有 限公 司 出产 的钨 极脉 冲氩弧 焊机 。试件 采用条状试 件和筒形 焊接试 件 。 焊 接 电流起 初采 用 ９ ０～１ ０ ０ Ａ， 试 验 中发现 电流偏
状 试件 ， 试 件经 车磨 加工 成 ２块厚 度为 ２ ． ３ ｍ ｍ 的 薄 圆
片， 然 后经 线切 割 成 ２对 片状 焊 接试 件 及 ２对 小 试 片
形 。还制 备 了用 于角焊 缝焊 接试 验 的条状 试样 。
２ 焊 接试 验
（ 利用边角余料 ） 。试件材料的热处理状态为固溶状态 （ 原材 料供 应状 态 ） 。均 未开 坡 口， 即为 Ｉ 形坡 口。
１ 制备焊 接试 件
马 氏体 时效 钢是在 超 低碳 铁 镍 马 氏体 基 体 上 利用 某些 金 属 间化 合 物 的沉 淀 析 出进 行 强 化 的一 类 特 殊类
型 的超 高强 度 钢 ， 具 有 非 常优 异 的 强 韧 性 配 合 。马
氏体 时效 钢在 固溶 状态 下 强 度 、 硬 度 较低 ， 便 于 成 形 和 切 削加 工 ， 待 加 工 完 毕 之 后 再 通 过 时 效 处 理 可 获 得 较

马氏体时效钢 综述

马氏体时效钢 综述
马氏体时效钢是高合金超高强度钢的一个典型钢种，是以无碳 (或微碳)马氏体为基体的，时效时能产生金属间化合物沉淀硬化的超 高强度钢。与传统高强度钢不同，它不用碳而靠金属间化合物的弥散 析出来强化。这使其具有一些独特的性能：高强韧性，低硬化指数， 良好成形性，简单的热处理工艺，时效时几乎不变形，以及很好的焊 接性能。因而马氏体时效钢已在需要此种特性的部门获得广泛的应 用。
而马氏体时效不锈钢是在马氏体时效钢基础发展起来的超高强
度不锈钢，它具有马氏体时效钢的全部优点，并建有一定的耐腐蚀性 能，成为正在发展中的新一代高强度不锈钢。
国内各种马氏体时效不锈钢的主要化学成分（元素质量分数）%
钢种

C Cr
Nb Mo Si Mn 其它
Ni
<0.03 14 6 0.4- 2 =<0.5 =<0.5 0.1-0.4Al
中国从 20 世纪 60 年代中期就开始研制马氏体时效钢。最初以仿 制 18Ni(250)和 18Ni(300)为主。到 70 年代中期又开始研究强度级别
更高的钢种和无钴或节镍钴马氏体时效钢，还开发出用于高速旋转体 的超高纯、高强高韧的马氏体时效钢(cM 一 1 钢)，研制出高弹性的 马氏体时效钢(TM210 等)和低镍无钴马氏体时效钢(12Ni 一 3Mn3Mo —TiAlV)。
低合金超高强度钢 是由调质结构钢发展起来的，含碳量一般在 0.3～0.5％，合金元 素总含量小于 5％,其作用是保证钢的淬透性，提高马氏体的抗回火稳 定性和抑制奥氏体晶粒长大，细化钢的显微组织。常用元素有镍、铬、 硅、锰、钼、钒等。通常在淬火和低温回火状态下使用，显微组织为 回火板条马氏体，具有较高的强度和韧性。如采用等温淬火工艺，可 获得下贝氏体组织或下贝氏体与马氏体的混合组织，也可改善韧性。

马氏体时效钢合金及其制造方法[发明专利]

马氏体时效钢合金及其制造方法[发明专利]

专利名称：马氏体时效钢合金及其制造方法专利类型：发明专利
发明人：B·雅哈塔,J·米勒,J·H·马丁
申请号：CN202010644522.0
申请日：20200707
公开号：CN112593162A
公开日：
20210402
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及马氏体时效钢合金及其制造方法。

提供了具有改善的微结构的马氏体时效钢合金。

一些变型提供了包含基础马氏体时效钢合金、晶粒细化剂和可选的强化元素的马氏体时效钢合金。

所述基础马氏体时效钢合金由所述晶粒细化剂表面官能化。

其他变型提供了一种制造马氏体时效钢的方法，所述方法包括将基础马氏体时效钢合金与晶粒细化剂混合得到马氏体时效钢混合物，将所述马氏体时效钢混合物熔化，以及使所述马氏体时效钢混合物凝固从而形成等轴微结构。

申请人：波音公司
地址：美国伊利诺伊州
国籍：US
代理机构：北京三友知识产权代理有限公司
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无钴马氏体时效钢失去Ｃｏ、Ｍｏ的交互作用， 含Ｍｏ金属间化合物的析出量减少，强化效果减 弱，如果增加Ｍｏ含量提高强度，则钢在奥氏体化 时富钼金属问化合物不易溶解，导致钢的塑韧性 降低，因此Ｍｏ含量不宜过高。
Ｔｉ是马氏体时效钢的强化元素，文献［１２］中 指出，每增加０．１％的Ｔｉ，强度增加５４ ＭＰａ。当 Ｔｉ由１．４％增加到１．８％，强度由１ ８２０ ＭＰａ增加 到２ ０００ ＭＰａ，塑性由１３％降到９％，Ｋ１１３由 ９０ ＭＰａｍⅣ２降到７０ ＭＰａ·ｍⅣ２［８＇”］，因此Ｔｉ含量 是决定钢强度和塑韧性的关键元素，Ｔ２５０钢将Ｔｉ 控制在１．３％一１．６％之间。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｓｔｕｄｉｅｓ Ｔ２５０ ｅｏｂＭｔ—ｆｒｅｅ ｍａｒａｇｉｎｇ ｓｔｅｅｌ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ．Ｉｔ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ，ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ ｈａｒｄｅｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｏｕｇｈｅ— ｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｗａｙｓ ｏｆ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ．Ａｔ ｌａｓｔ ｉｔ ｄｅｖｅｌｏｐｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏ－ ｃｅｄｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ａｎｄ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｈａｓ ａ ｈｉｇｈｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｈａｒｄｅｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｏｕｇｈｅｎｉｎｇ．Ｗｅ ｍａｙ ｃｈｏｏｓｅ ８２０～ ９２００Ｃ ａｓ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ ａｎｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ．Ｉｔ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ，ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ａｎｄ ｃｏｌｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｉｔ ｈａｓ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｈａｒｄｅｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｏｕｇｈｅｎｉｎｇ ｗｈｅｎ ｉｔ ｉｓ ａｇｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ４８０—５ １０。Ｃ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｗｏｒｋ ｏｆ ３—８ ｈ．Ｗｅ ｏｕｇｈｔ ｔｏ ｋｅｅｐ Ｔ２５０ ｈｉｇｈｅｒ ｐｕｒｉｔｙ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｈｉｇｈｅｒ ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ ａｎｄ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ．
Ｉ＂２５０马氏体时效钢在固溶状态时合金元素 主要以置换式形式溶人基体中，形成固溶强化，空 冷到室温获得高密度位错马氏体，形成相变强化 或者叫位错强化。时效在高密度位错的马氏体基 体弥散析出Ｎｉ３ Ｔｉ强化相¨３｜。
（１）固溶强化、晶界强韧化Ｉ＂２５０钢固溶状 态，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｍｏ等元素主要以置换式形式溶入基 体并且呈有序状态，由于原子尺寸效应，弹性模量 效应和固溶体有序化的作用而导致钢的强韧化， 固溶态ＨＲＣ可达到３４。
盯ｂ／ＭＰａ ｌ ８７０ １ ８８０
９０ ２／ＭＰａ １ ８００ ｌ ７９０
６／％ １２ １０
砂／％Ａｋ，／Ｊ ＨＲＣ
５０
４８
５３
５ｌ
４８
５２
２．２钢的热处理工艺和性能的研究 ２．２．１ 固溶温度对钢的力学性能的影响
Ｔ２５０钢固溶温度对性能的影响见图１，保温 时间１ ｈ。
由图１看到， 固溶温度在８００—９５０℃时， 钢的强度、塑性几乎没有变化，断面收缩率在８２０ —９２０℃时较高，９２０℃时已经下降到３０％以下。 对于冷加工软化处理，固溶温度可以选择在８２０
Ａｌ在马氏体时效钢中主要起脱氧剂的作用。 Ｍｎ降低钢的韧性，ｃ、Ｓｉ、Ｓ、Ｐ、Ｏ、Ｎ作为有害 元素和形成夹杂物元素降低钢的塑韧性，其中．以
Ｂａｏｓｔｅｅｌ ８Ａｃ ２００６
３７５
形成Ｔｉ（ＣＮ）ＴｉＯ：等夹杂物，因此必须加以限制。 １２５０无钴马氏体时效钢与Ｃ２５０马氏体时效
钢相比，由于无Ｃｏ，Ｍｏ低而Ｔｉ增加，因此，Ｔ２５０ 钢的塑韧性比Ｃ２５０钢降低。从表２中的性能要 求看到，两个钢种的强度、塑韧性要求是相同的， 因此，提高无钴马氏体时效钢的塑韧性成为该钢 研制与开发的关键。 ３．２强韧化原理
—９２０℃。
固溶温度对时效状态力学性能的影响见图 ２，试样固溶处理后经５００℃Ｘ ５ ｈ时效处理。由
∞ ∞ ∞鲫∞ ∞ ｏ
图１ 固溶温度对力学性能的影响
图２看到，固溶温度在８２０～９２０℃时，时效后的 屈服强度大于１ ８５０ ＭＰａ，冲击韧性大于４８ Ｊ，延 伸率大于８％，断面收缩率大于４９％，断裂韧性大 于８４ ＭＰａｍⅣ２。固溶温度的增加对强度、塑性、韧 性的影响不显著，固溶温度均可选择在８２０～
雅驼∞驰们¨铊柏鹪弘¨就∞
时效时间／ｈ
时效时间／ｈ
图４ 时效时间对性能的影响
３分析与讨论 ３．１ 无钴马氏体时效钢化学元素的作用
在含钴马氏体时效钢中，ｃｏ溶于基体，降低 了Ｍｏ在基体中的溶解度，促进Ｍｏ形成金属间化 合物¨’９｜，提高钢的强度；ｃｏ影响基体中的位错 亚结构，为析出相的析出提供尽可能均匀分布的 形核位置，使析出相更为细小均匀，因而提高钢的 塑韧性；Ｎｉ与强化元素结合形成强化相，Ｎｉ是形 成奥氏体的元素，提高马氏体时效钢韧性的最有 效元素，Ｎｉ与强化元素结合形成强化相，Ｎｉ含量 过多，Ｍｓ点降低，冷却时会形成残余奥氏体，时效 时强度降低【１ ０｜；Ｍｏ在马氏体时效钢中对强韧性 是有利的元素，在强化的同时保持钢的韧性…Ｊ， Ｍｏ阻止析出相沿原奥氏体晶界析出，避免沿晶断 裂，提高断裂韧性。
尽管该３＂２５０钢固溶状态晶界强化效果表现 比较弱，但晶粒尺寸对时效状态的屈服强度、塑韧 性和断面收缩率仍然起到重要的作用。由Ｈａｌｌ— Ｐｅｔｅｒ关系¨６‘１７ ３：盯。＝盯ｏ＋Ｍ－１／２，其中，ｏｒ。为钢的 屈服强度，矿。、ｋ与本材料有关的常数，ｄ晶粒直 径。晶粒越细小，单位体积内晶界及晶界面积越 大，位错运动、裂纹形成、裂纹扩展的难度和消耗 的能量增加，因此提高了钢的韧性。晶粒细化显 著提高钢的屈服强度、塑韧性和断面收缩 率ｍ一２０ｌ。
关键词：１８％Ｎｉ无钴马氏体时效钢；超高纯度熔炼；高均质化；固溶处理；时效强化
Ｔｈｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｉ＂２５０ Ｃｏｂａｌｔ－ｆｒｅｅ Ｍａｒａｇｉｎｇ Ｓｔｅｅｌ
Ｚｈａｎｇ Ｊｉｎｇｈａｉ （Ｓｐｅｃｉａｌ Ｓｔｅｅｌ Ｂｒａｎｃｈ，Ｂａｏｓｈａｎ Ｉｒｏｎ＆Ｓｔｅｅｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００９４０，Ｃｈｉｎａ）
９２０℃。
０
枷ｍ ０
Ｏ Ｏ
ｍ懈ｍ０ ｍＯＯ日皇＼瞬盛唾Ｏ ０ ０ｍ懈㈣惭ｍ０
图２ 固溶温度对时效状态力学性能的影响
３７４
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２．２．２时效温度和时效时间对力学性能的影响 经过８２０。Ｃ×１ ｈ固溶处理后的试样再经过
不同时效温度×５ ｈ处理后钢的力学性能如图３ 所示。由图３看到：该钢在４８０—５１０℃的时效强
３７２
Ｂａｏｓｔｅｅｌ ＢＡＣ ２００６
Ｔ２５０无钴马氏体时效钢研制
张景海 （宝山钢铁股份有限公司特殊钢分公司，上海２００９４０）
摘要：研究Ｔ２５０无钴马氏体时效钢，分析了钢的化学元素的作用，阐述了钢的特性、强韧 化机理和提高韧性的途径，进行了热处理工艺（固溶、时效）与力学性能的研究，确定了最佳热 处理工艺。研究结果表明：该钢具有高的强韧性；１２５０钢的软化和固溶温度可以选择在８２０～ ９２００Ｃ，固溶温度变化对钢的力学性能影响较小，固溶态具有良好的塑韧性和冷加工性能；时效 温度４８０—５１０℃，保温时间３—８ｈ具有最佳的强韧性配合；Ｔ２５０钢应保持较高的纯度，以保证 较高的塑韧性。
（２）加工强化 由于１８％Ｎｉ马氏体时效钢 高纯度冶炼，Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等元素夹杂物低，没有 ＴｉＣ Ｔｉ（ＣＮ）及硅酸盐氧化物在基体中起钉扎作 用，消除夹杂物在晶界析出而对境界的阻碍作用， 在固溶状态组织为高密度位错的超低碳马氏体基 体，当基体受到外界应力作用时，原Ａ晶界对位
错运动的阻碍作用可能被大量间距更小的亚结构 和板条界所取代，使强化作用被隐没¨４’“。，可以 抵抗较大的应力集中，容易产生滑移，因此，固溶 状态的加工硬强化效果可以忽略，表现出优异的 冷变形加工性能。
Ｐ
Ｎｉ
≤ｏ．０１０ １８．０—２０．０
Ｃｏ
Ｎｏ
Ｔｉ
Ａ１
≤尘乏！』！：！：！！！：！二！：！！：竺！二！！』
试验钢经ＶＩＭ熔化，浇注成，／，５２０电极，电极 磨光后在ＶＡＲ炉重熔ｑｂ６１０钢锭，钢锭经固溶后 车光。钢锭经１ ２５０。Ｃ高温均质化处理，快锻机 开坯，开锻温度大于ｌ １００。Ｃ，终锻温度大于 ８００℃；锻坯人加热炉加热，加热温度１ ０５０— １ １５０。Ｃ，在１ ３００ ｔ液压式精锻机锻造成４，２２０棒
何毅、张强等对固溶态组织结构观察发现， １３００、Ｔ２５０钢经固溶化处理后只发生ｏＬ／ｙ转变而 不产生中间相，得到纯净的高密度板条马氏体，板 条中未发现第二相和残余奥氏体。随着固溶温度 升高和固溶时间的延长，原奥氏体晶粒尺寸长大， 但不影响固溶态硬度，宏观上表现出强度、塑性及 韧性与固溶处理温度、保温时间的依赖关系弱，因 此，晶界强化作用在马氏体时效钢中的作用不明 显，也就是固溶强化作用比晶界强化作用更加重 要。Ｔ２５０钢的这一特点与Ｃ２５０钢相似Ｈ３。１５ Ｊ。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：１８％Ｎｉ ｃｏｂａｈ—ｆｒｅｅ ｍａｒａｇｉｎｇ ｓｔｅｅｌ；ｕｌｔｒａ—ｈｉｇｈ ｐｕｒｉｔｙ ｍｅｌｔｉｎｇ；ｈｉｇｈ ｉｓｏｔｒｏｐｅ；ｓｏｌｕｔｉｏｎ
ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ａｇｅｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ