热处理参数对超高强钢PH13-8Mo组织及性能的影响

裴玉冰 王天剑 范 华

（东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000）

热处理参数对超高强钢PH13-8Mo组织及性能的影响

裴玉冰 王天剑 范 华

（东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000）

文章对M o含量小于0.6%的PH 13-8M o合金的 热处理性能 进行了探讨， 研 究表明： 当 固溶温度在850℃ ～950℃之间时， 随着固溶温度的增加， 低Mo含量的PH 13-8Mo合金的晶粒尺寸逐渐增大， 当固溶温度大于950℃时， 合金的晶粒尺寸急剧增大， 从而显著降低合金的力学性能。 当时效温度大于540℃时， 合金的抗拉强度及屈服强度开始显著下降， 冲击韧性得到提升。 Mo含量为0.57%的PH13-8Mo合金经过合适的热处理， 其抗拉强度、 塑性及韧性能达到Mo含量为2.3%的PH13-8Mo合金的标准。

PH 13-8Mo； 固溶温度； 时效温度； 力学性能

1 前言

PH13-8Mo马氏体沉淀强化不锈钢以其超高的强度、优良的抗冲击腐蚀性能、较好的断裂韧性、焊接性以及易加工性能，在航空航天领域得到了广泛的关注。 PH13-8Mo合金经一定温度固溶时效后， 会析出细小且均匀的球状第二相β-NiAl相（B2结构）以及部分M23C6型碳化物[1，2]， β-NiAl相及碳化物的析出显著提高了PH13-8Mo合金的强度。 随着时效温度的升高， β-NiAl相会粗化， 但因为β-NiAl相非常细小， 所有。 β-NiAl相经625℃时效4小时后， 其直径也仅为70A， 而β-NiAl相要与奥氏体基体产生非共格关系时其尺寸应大于15μm[3]，所以β-NiAl相在正常的时效处理过程中会与基体保持良好的共格关系。碳化物随着固溶温度的增加而逐渐长大，并且，随着时效温度的增加，PH13-8Mo合金中会析出回复奥氏体， 回复奥氏体的出现显著降低合金的强度，提高合金的韧性。所以， 随着时效温度的增加， PH13-8Mo合金的强度及硬度下降， 塑性及冲击韧性显著提高[4，5]。

目前已有大量学者对Mo含量为2.0%～2.5%的PH13-8Mo合金的性能进行了研究， 研究表明：PH13-8Mo合金经合理的固溶和时效处理后， 抗拉强度Rm可以达到1520MPa， 屈服强度Rp能够达到1420MPa， V型冲 击值KV2大于 20J[6]。 PH13-8Mo合金对氢含量较为敏感，合金中氢含量过多会严重影响合金的断裂韧性[7，8]。 最近， 对于低Mo含量的PH13-8Mo合金的研究正在进行。 Mo含量的减少会降低有害相的析出， 但同时Mo含量的减少也会削弱固溶强化的作用， 本文运用Thermo-Calc热力学计算软件分析了不同Mo含量对PH13-8Mo合金析出相的影响， 并通过调整低Mo含量的PH13-8Mo合金的热处理工艺参数， 使其力学性能达到高Mo含量PH13-8Mo合金的标准。

2 热力学计算

图1 Mo 含量对 PH13-8Mo 析出相及析出温度的影响

作者在前期对Mo含量为2.3%的PH13-8Mo进行了一定的研究， 据相关文献可知， 目前低Mo含量的PH13-8Mo合金已运用于汽轮机领域， 为了明确高Mo含量和低Mo含量的区别， 本文采用了Thermo-Calc热力学计算软件计算不同Mo含量对析出相及其质量分数的影响， 并对600℃、 500℃及450℃3个温度下的析出相及其质量分数进行分析， 其结果如图1所示。 由图1可知， PH13-8Mo可能出现的相有铁素体、 奥氏体、 M23C6、 χ、 μ及σ。 铁素体含量随Mo含量的增加而逐渐减少； 奥氏体含量随Mo含量的增加逐渐增加； M23C6几乎不随Mo含量及温度的变化而变化； χ、 μ、 σ相都为有害相， 且随Mo含量的增加而增加， 当Mo含量小于0.6%时，χ、 μ及σ相不析出。 奥氏体、 χ及μ相的析出温度随着Mo含量的增加而增加， 铁素体、 M23C6及σ相的析出温度变化不大， NiAl相的析出温度随Mo含量的增加而降低， 当Mo含量大于1.0%时， NiAl相的析出温度保持不变。 虽然Mo元素能起到固溶强化的作用，并可以减小热膨胀系数，但是，因为Mo元素能促进有害相的形成， 使得合金易在χ、μ、 σ相的析出处形成裂纹， 对合金的安全使用带来隐患。 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，有利于阻止裂纹的形成和扩展，有效地提高合金的性能，但是， Mo含量的减少同时削弱了合金的固溶强化作用，会降低合金的力学性能。因此，本文主要通过调整热处理工艺， 使低Mo含量的PH13-8Mo合金在减少裂纹形成几率和裂纹扩展速度的同时，其力学性能能够达到高Mo含量PH13-8Mo合金的标准。

3 试验方法

3.1 试验材料

试样用料要求Mo含量小于0.6%， 其具体的成分见表1。

表1 PH13-8Mo合金的化学成分 （w t%）

3.2 试验方法

研究固溶温度、 时效温度对低Mo含量的PH13-8Mo合金力学性能的影响。 考虑时效温度对合金性能的影响时， 将PH13-8Mo合金在925℃保温1h进行固溶， 油冷至室温， 然后分别在485℃、510℃、 540℃、 565℃、 595℃和620℃进行4h的时效，空冷至室温。考虑固溶温度对合金性能的影响时， 将PH13-8Mo合金分别在850℃、 875℃、900℃、 925℃和950℃保温1h进行固溶， 油冷至室温， 然后在540℃进行4h的时效， 空冷至室温。

用FeCl3溶液对PH13-8Mo合金进行化学腐蚀，在ZEISSAxiovert 40MAT光学显微镜下进行金相观察， 用JSM-6490LV扫描电镜进行断口分析。

4 试验结果及分析

图2及图3为不同时效温度下低Mo含量的PH13-8Mo的微观组织及力学性能。 由图2可知，低Mo含量的PH13-8Mo经固溶和时效处理后， 得到马氏体组织。 当时效温度为510℃时， 抗拉强度及屈 服 强 度 达 到 最 大 值 ， 分 别 为 1650MPa 和1550MPa， 此时的V冲击韧性非常低， 仅为3J。620℃时效时的抗拉强度和屈服强度比510℃时效时的抗拉强度和屈服强度分别降低了36%和48%， V型冲击韧性为510℃时效时的75倍。 随着时效温度的升高， 马氏体中的碳化物及β-NiAl相都发生粗化， 从而减弱了碳化物及β-NiAl相对合金的强化作用。 同时， PH13-8Mo合金在淬火的过程中会存在残余奥氏体，在时效的过程中会产生回复奥氏体，从而使得合金的强度下降，塑性及冲击韧性显著上升。

图2 时效温度对PH13-8Mo合金 （Mo=0.57）微观组织的影响

图3 时效温度对PH13-8Mo合金 （Mo=0.57）力学性能的影响

图4 及图5为不同固溶温度下低Mo含量的PH13-8Mo合金的微观组织及力学性能。 由图4可知，随着固溶温度的增加，晶粒尺寸逐渐增大，当固溶温度高于950℃时， 晶粒急剧长大。 850℃固溶时平均晶粒尺寸约为5μm， 此时合金具有较好的强度与韧性的配合， 此时低Mo含量的PH13-8Mo合金的力学性能能够达到高Mo含量的PH13-8Mo合金在最佳热处理状态下的力学性能。当固溶温度为950℃时， 平均晶粒尺寸约为80μm， 合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率及断面收缩率显著下降，V型冲击韧性随固溶温度的增加剧烈减少。 950℃固溶时， 其抗拉强度和屈服强度相比于850℃时效时的抗拉强度和屈服强度分别降低了5%和8%， 降低幅度较小，但是V型冲击韧性却有大幅度降低，950℃固溶时的V型冲击韧性比850℃固溶时的V型冲击韧性降低了82%。 由图1 （d）可知， 在平衡态下， 700～900℃之间， 析出的相主要有铁素体相、 奥氏体相、 M23C6及χ相。 因为合金的Mo含量低， χ相减少， 削弱了χ相对晶界的钉扎作用， 同时， 随着固溶温度的升高， M23C6大量溶入奥氏体中，减少了固溶过程中对晶粒长大的阻碍，从而使得奥氏体晶粒随固溶温度的增加而增加，进一步影响合金的性能。

图4 固溶温度对PH 13-8Mo合金 （Mo=0.57）微观组织及晶粒尺寸的影响

图5 固溶温度对PH13-8Mo合金 （Mo=0.57）的力学性能的影响

图6 为850℃和950℃固溶时合金冲击试样的断口形貌。 由图6 （a）可知， 850℃固溶时， 断口为典型的韧性断口，断口两侧有剪切唇，靠近切口的部位存在纤维区，断口呈暗灰色，表面无金属光泽。 由图6 （c）可知， 850℃固溶时， 断口的微观形貌韧窝较多，存在撕裂棱。当固溶温度为950℃时， 作为韧性断口标志之一的剪切唇消失，且断口光滑平整，断口颜色光亮有金属光泽，如图6 （b）所示。 在图6 （d）中， 950℃固溶时断口的微观形貌为扇形花样，且存在韧性断裂的撕裂棱，其断口为准解理断口。

对比高Mo含量的PH13-8Mo合金 （Mo含量在2.0%～2.5% 之 间）和 低Mo含 量的PH13-8Mo合 金（Mo含量为0.57%）的热处理制度可知， 如要满足Rm≥1520MPa， Rp0.2≥1420MPa， KV2≥20J， 对于高Mo含量的PH13-8Mo合金， 常用的热处理制度为925℃固溶和510℃时效； 对于低Mo含量的PH13-8Mo合金， 在925℃固溶和510℃时效的热处理制度下， 其抗拉强度及屈服强度与高Mo含量的PH13-8Mo合金的性能相当， 但冲击韧性远低于高Mo含量的PH13-8Mo合金。 对于低Mo含量的PH13-8Mo合金，若要得到良好的强度与韧性的匹配，需要降低合金的固溶温度。原因有两个，其一由Thermo-Calc热力学软件的计算可知， 低Mo含量的PH13-8Mo合金的完全奥氏体化温度比高Mo含量的PH13-8Mo合金的完全奥氏体化温度低了约35℃，从而低Mo含量的PH13-8Mo合金的最佳固溶温度应比高Mo含量的PH13-8Mo合金的最佳固溶温度要低。 在925℃的固溶温度下， 低Mo含量的PH13-8Mo合金因固溶温度过高， 使得晶粒长大， 从而降低了合金的强度和韧性。 另一个原因是因为Mo含量减少，使得杂质相减小，从而缩短了杂质相完全固溶进奥氏体基体的过程，同时，也削弱了杂质相对晶粒长大的阻碍作用， 所以低Mo含量的PH13-8Mo合金的最佳固溶温度应比高Mo含量的PH13-8Mo合金的最佳固溶温度低。

图6 850℃和950℃固溶时冲击试样的断口形貌

本文仅对低Mo含量的PH13-8Mo合金的力学性能及金相组织做了一定的分析， 对于低Mo含量PH13-8Mo合金和高Mo含量PH13-8Mo合金在析出相上的改变仅做了模拟计算，并未进行实验验证，后续的研究工作将补充本论文中的不足并在微观层次上进行更深入地研究。

5 结论

（1）时效温度对低Mo含量的PH13-8Mo合金力学性能的影响非常显著， 时效温度在485～620℃之间时， 当时效温度大于540℃， PH13-8Mo合金（Mo=0.57）的抗拉强度、 屈服强度显著下降， 延伸率、断面收缩率及V型冲击韧性明显上升。

（2）固溶温度强烈影响低Mo含量的PH13-8Mo合金的晶粒尺寸， 当固溶温度在850～950℃之间时， 随着固溶温度的升高， PH13-8Mo合金的晶粒尺寸逐渐长大，从而降低合金的强度、塑性及韧性。

（3）Mo含量为0.57%的PH13-8Mo合金经过合适的热处理，其抗拉强度、塑性及韧性能达到Mo含量为2.3%的PH13-8Mo合金的标准。

［1］ D.H.Ping,M.Ohnuma,Y.Hirakawa,et al.Microstructural evolution in 13Cr-8Ni-2.5Mo-2Al martensitic precipitation-hardened stainless steel[J].Materials Science and Engineering A,2005,394:285-295

［2］ J.Mittra,G.K.Dey,D.Sen,et al.Solution quenched structure ofwrought PH13-8Mo stainless steel[J].Scripta Materialia,2004,51:349-353

［3］ V.SEETHARAMAN,M.SUNDARARAMA,R.KRISHNAN.Precipitation Hardening in a PH13-8Mo stainless steel[J].Materials Science and Engineering,1981,47:1-11

［4］ W.M.Garrison， J.A.Brooks.The thermal and mechanical stability of austenite in the low carbon martensitic steel PH13-8[J].Materials Science and Engineering A,1991, 149:65-72

［5］ Ronald Schnitzer,Rene Radis,Matthias Nohrer,et al.Reverted austenite in PH13-8Mo maraging steels[J].Materials Chemistry and Physics,2010,122:138-145

［6］ Z.GUO,W.SHA,E.A.WILSON,et al.Improving toughness of PH13-8 stainless steel through intercritical annealing [J].ISIJ International,2003,43 （10）:1622-1629

［7］ L.M.Young,M.R.Eggleston,H.D.Solomon,et al.Hydrogen-assisted cracking in a precipitation-hardened stainless steel:effects of heat treatment and displacement rate [J].Materials Science and Engineering A,1995,203:377-387

［8］ P.Munn,B.Andersson.Hydrogen embrittlement of PH13-8 Mo steel in simulated real life tests and slow strain rate tests[J].Corrosion,1990,46:286-295

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， 硕士研究生， 助理工程师， 毕业于清华大学机械工程系材料科学与工程专业， 现就职于东方汽轮机有限公司材料研究中心，从事叶片材料、不锈及耐热钢材料的研发工作。