T250马氏体时效钢晶粒细化热处理

西安长峰机电研究所 陕西西安 710065

1 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；Y2样品断口正常，属于韧性断口，主要以韧窝为主；1S、2S、SY2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。

表1 试样标记

图1 断口形貌观察

2.2 金相分析

经金相观察，试样的晶粒都非常粗大，如图2所示。Y1、Y2样品的晶粒度分别为2.5级和2.0级，经过重新锻造的1S和2S试样的晶粒度为2级。产品状态SY2的晶粒同样非常粗大，晶粒度为1.5级。

图2 晶粒度

原始状态Y1非正常断裂的形式均为沿晶的脆性断裂，主要是因晶粒和组织粗大而造成的，晶界处未发现析出相。

经过锻造（1S、2S）和水压试验的（SY1、SY2）样品经过热加工后组织不仅没有细化，个别的晶粒尺寸比锻造以前还要粗大，说明锻造工艺存在问题，或锻打次数和终锻温度存在问题，没能够细化组织，造成沿晶脆性断裂。

3 改进措施及效果验证

针对马氏体时效钢，分别采用一次正火和双重正火处理的方式细化晶粒[2]。将原有试样重新编号，按照新的热处理制度再次进行处理，见表2。

经过正火处理后，试样晶粒度有明显的改善，并且双重正火的晶粒细化效果明显好于一次正火。正火处理细化的金相组织如图3所示，晶粒度的评级结果见表3。通过正火处理，在金相组织中，未发现晶界处存在析出相。

表2 试样热处理制度

图3 金相组织

表3 晶粒度评级结果 （级）

通过上述试验论证，将同批锻件加工流程调整为：（原材料→锻造）→双重正火→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。

对加工壳体逐件进行水压试验，采用上述流程加工的壳体，水压期间未出现开裂失效及其他失效现象，满足设计水压相关要求。

4 结束语

1）壳体材料晶粒粗大是造成壳体水压开裂失效的直接原因。

2）T250马氏体时效钢通过正火处理，可以细化晶粒。

3）T250马氏体时效钢采用双重正火细化晶粒的效果，优于一次正火。