马氏体不锈钢研究现状及发展趋势

韩慢慢 江涛 蒲博玮

摘 要：马氏体不锈钢是一种可以通过热处理来调整性能的钢，具有高强度、高硬度、高韧性、耐磨和耐腐蚀等优点，因此被广泛应用在工程领域中。本文阐述了马氏体不锈钢的合金化与熔炼现状，热处理对马氏体不锈钢的力学性能的影响，马氏体不锈钢的动态力学性能以及本构方程的研究现状，涡轮盘的失效类型等，并对马氏体不锈钢及涡轮盘件未來发展趋势进行了展望。

关键词：马氏体不锈钢热处理力学性能涡轮盘

Research Status and Development Trend of Martensitic Stainless Steel

HAN ManmanJIANG TaoPU Bowei

（School of Materials Science and Engineering， Xi’an Shiyou University， Xi’an ， Shaanxi Province，710065 China）

Abstract： Martensitic stainless steel is a kind of steel whose properties can be adjusted by heat treatment. It has the advantages of high strength， high hardness， high toughness， wear resistance and corrosion resistance.Therefore， it is widely used in the field of engineering. This paper describes the current situation of alloying and melting of martensitic stainless steel， the influence of heat treatment on the mechanical properties of martensitic stainless steel， the research status of dynamic mechanical properties and constitutive equation of martensitic stainless steel， and the failure types of turbine disk， and looks forward to the future development trend of martensitic stainless steel and turbine disk.

Key Words： Martensitic stainless steel; Heat treatment; Mechanical properties; Turbine disk

马氏体不锈钢具有高强度、高硬度、高韧性、耐磨和耐蚀等优点，在航空航天、石油化工、航海、高铁等行业中起到至关重要的作用。例如，超级13Cr马氏体不锈钢是一种基于Fe-Cr-Ni-Mo系统的低碳马氏体不锈钢，由于其具有韧性、焊接性、耐蚀性、易热处理性和相对较低的价格等优点，被广泛用作高温高压油气田的油管钢[1]。440C是马氏体不锈钢中最硬的钢，高达17 wt.%的高铬含量增强了该钢的耐腐蚀性，适用于重型应用，包括阀门组件、座圈、滚珠轴承、量块和汽车零件[2]。410马氏体不锈钢又被称为抗蠕变合金钢，适用于直接暴露在高温和高压力的环境中涡轮机的转子及其附属物[3]。低碳超级马氏体不锈钢与传统等级的马氏体不锈钢相比，特别适用于深井和热油气井的开发，因为它具有更好的可靠性、机械性能和高耐腐蚀性。本文阐述了马氏体不锈钢的合金化与熔炼现状，热处理对马氏体不锈钢的力学性能的影响，马氏体不锈钢的动态力学性能以及本构方程的研究现状等，并对马氏体不锈钢及涡轮盘件未来发展趋势进行了展望。

1马氏体不锈钢的合金化与熔炼

马氏体不锈钢中合金元素，元素含量不同作用也不相同。Hu等[4]发现无V涂层主要由马氏体和铁素体、微量M23C6和M2N组成，而含V涂层主要由M、F、M23C6和VN纳米沉淀物组成，它们的数密度随着V含量的增加而增加。V微合金化会对所得MSS激光熔覆试样的机械性能产生重大影响。随着V含量的增加，试样的延伸率增加，而拉伸强度和显微硬度先增加后降低。Chang等[5]研究发现无氮Cr15超级马氏体不锈钢在1050°C淬火和600～700°C回火时，组织为马氏体和奥氏体交替分布的双相组织。氮的加入增加了奥氏体的含量，使奥氏体形貌显着改变为粗大块状和条状分布。更重要的是，奥氏体和马氏体之间形成微电偶腐蚀，使超级马氏体不锈钢的耐腐蚀性能变差。Jean等[6]研究发现相对于无Nb钢，添加铌可使韧脆转变温度降低100°C。Nb的主要作用是细化晶粒尺寸和促进残余奥氏体膜，导致类似的抗解理裂纹萌生，但通过增加抗解理裂纹扩展能力显着改善韧脆转变行为。

目前马氏体不锈钢铸锭的冶炼工艺[7]较多，其中两步法和三步法最为常用。电渣重熔是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法，是马氏体不锈钢熔炼的常用方法之一。00Cr12Ni10MoTi马氏体时效不锈钢锭制备工艺为构筑成形和三联特冶（真空感应熔炼+真空自耗电弧熔炼+电渣重熔）[8]。马小平等[9]在真空感应炉近常压气氛保护熔炼条件下研究氮在马氏体不锈钢中的溶解度，炉内保护气体种类对钢中氮的溶解度有较大影响，氮化铬铁合金加入量对钢氮含量的影响因保护气体种类不同而异。相比之下，两次电渣重熔的效果比单次电渣重熔效果好，经过两次电渣重熔可以使得马氏体不锈钢的塑性、韧性等力学性能得以提高[10]，同时在电渣重熔过程中，电流强度和冷却强度都不会影响电渣重熔中夹杂物的类型，但会影响夹杂物的尺寸，增加电流强度或冷却强度可细化夹杂物[11]。为了保证马氏体不锈钢的韧性耐腐蚀性能，常常在制备过程中对杂质元素（S、O等）进行去除[12]。

2热处理对马氏体不锈钢力学性能的影响

Khashayar等[13]AISI420样品的维氏显微硬度试验结果如图所示发现回火时间的增加导致碳化物沉淀物的生长和各自体积分数的增加，硬度值降低，从而随着回火时间的增加，样品晶格微应变减小。Deng等[14]研究的中碳马氏体不锈钢发现通过优化奧氏体温度和回火热处理，中碳马氏体不锈钢表现出优异的机械性能，极限抗拉强度为1740±8 MPa，屈服强度为1237±19 MPa，总伸长（延性）为10.3±0.7%，冲击韧性为94.6±8.0 Jˑcm−2。合金的延性增加主要归因于RA通过转化诱导塑性效应以及含有降低的碳和铬含量的基质具有合适的稳定性。而中碳马氏体不锈钢的冲击韧性在很大程度上取决于M23C6碳化物。Liu等[15]发现经过淬火和回火后，马氏体不锈钢的组织由回火马氏体组成，逆奥氏体和少量碳化物。由于合金元素含量高，空冷时得到淬火马氏体，残余内应力大，造成冲击韧性最低。回火后，由于残余应力为释放和减少内部缺陷，其冲击韧性得到了很大的改善。调质处理后的样品具有较高的冲击韧性。Syarif等[16]研究了通过热处理提高选择性激光熔化15-5PH不锈钢的显微组织优化以提高耐腐蚀性。结果表明，时效处理后，富Cu纳米颗粒（约10 nm）扩散析出，约18%～25%的奥氏体分布在熔池边界附近。通过扫描开尔文探针力显微镜，奥氏体的表面电位比马氏体的表面电位高约15 mV。但在固溶处理和时效处理后奥氏体相消失并析出新的NbC-（Mn，Si）O双相颗粒，降低了SLM 15-5PH不锈钢的耐点蚀性和钝化膜稳定性。Deng等[17]基于调质-回火-分区（Q-T&P）工艺，设计了一种强度、塑性和冲击韧性相结合的中碳马氏体不锈钢。Q-T&P是与标准的淬火回火（Q-T）工艺相同的热处理，但在组织控制方面与淬火分块（Q&P）具有相同的作用，即通过抑制碳化物析出促进富碳残留奥氏体。结果表明：在强度不受影响的情况下，23Cr13MnSi合金的总延伸率和室温冲击韧性分别比商用AISI 420合金提高了14%和110%，分别为9.6%和90 Jˑcm2。该合金塑性和冲击韧性的显著提高主要是由Q-T&P过程中形成的具有非均相稳定性的富碳残余奥氏体和无碳化物马氏体引起的渐进相变诱导塑性（TRIP）效应所致。Köse等[18]发现马氏体不锈钢组织中残余奥氏体相分数随着热处理的影响而增加，双相不锈钢组织中奥氏体相分数增加。热处理马氏体和双相不锈钢母材和热处理焊接接头的抗拉强度提高，但冲击韧性下降，与母材相比，焊接接头中孔隙和碳化物形成导致抗拉强度较低。采用气体金属弧焊方法对X20Cr13马氏体不锈钢进行多重修复焊发现研究了热影响区的微观结构和力学性能，微观结构和力学性能没有不利影响，但是提高了的冲击韧性，促进了延展性断裂。

Zhao等[19]发现随着回火温度的升高，回火钢中富Ni的逆奥氏体含量增加。淬火钢中未发现富钼金属间化合物和逆奥氏体。富钼金属间化合物对腐蚀膜的保护性能产生不利影响，因为与化合物相邻的贫钼区域的伏特电势比钢基体低约7 mV，破坏了腐蚀膜的稳定性。然而，逆奥氏体有利于腐蚀膜，因为它抑制了超级13Cr马氏体不锈钢的进一步腐蚀并增强了腐蚀膜的稳定性。因此，不含富钼金属间化合物的淬火钢具有最高的耐蚀性，并且回火钢的耐蚀性随着回火温度的升高而增加。Shahriari等[20]比较了热处理的增材制造（AM）沉淀硬化马氏体不锈钢（SS）CX和AISI 420-SS的锻造部件的耐腐蚀性能，镍含量较低。热处理AM-CX的微观结构由马氏体基体和少量纳米级颗粒组成，而锻造AISI 420-SS在马氏体基体中含有约8%的奥氏体和富铬碳化物。与AISI 420-S相比，AM-CX部件具有优异的耐腐蚀性能，这归因于AM-CX SS中几乎没有富铬碳化物和马氏体残留奥氏体界面，而它们在AISI 420-SS中存在使钝化膜不稳定。Khare等[21]13Cr马氏体不锈钢（MSS）在奥氏体化和回火条件（300 °C、550 °C和700 °C）下的摩擦学特性，发现摩擦系数（COF）、磨损率和磨损机理随回火温度发生显着变化。奥氏体化和300 °C回火条件随时间表现出稳定的COF变化，而分别在550 °C和700 °C回火条件下观察到COF随时间波动和增加。回火条件的耐磨性低于奥氏体化条件，550 ℃回火条件的耐磨性最低。氧化铝球的耐磨性也遵循与13Cr MSS相同的趋势。在550 °C回火条件下观察到配合面材料的耐磨性最低。这些观察结果归因于（a）大量纳米碳化物的形成和（b）滑动过程中对接材料的嵌入。奥氏体化和300 °C回火条件显示出磨料加轻度氧化磨损机制，而在550 °C和700 °C回火显示分层加粘附痕迹的存在和压实的摩擦层加严重氧化磨损机制。目前的结果清楚地突出了13Cr MSS对配合面氧化铝球的磨损机制的变化，在回火处理过程中显微组织发生了变化。Bonagani等[22]已经通过夏比冲击试验和慢应变速率拉伸（SSRT）试验以及随后的断裂表面检查研究了回火处理对13 wt.%Cr马氏体不锈钢（MSS）机械性能和氢脆（HE）的影响。奥氏体化和淬火试样在300 °C、550 °C和700 °C下回火2.5 h。在550 °C回火的MSS在冲击试验后显示脆性晶间（IG）断裂，表明其对回火脆化的敏感性。实验结果表明，13 wt.% Cr MSS对HE敏感。淬火状态在氢预充本身期间显示开裂。氢气预充持续时间增加了回火MSS对HE的敏感性。在550 °C回火的试样中观察到最大的HE敏感性，强度和应变急剧下降至失效。在SSRT试验中，在300 °C和550 °C下回火显示出IG脆性断裂，而在700 °C下回火的试样随着预充电时间的增加，观察到具有延展性凹坑的区域增加。在550 °C回火的试样对HE的最大敏感性的原因是由于氢和在原奥氏体晶界分离的杂质的协同相互作用。

3 马氏体不锈钢动态力学性能与本构方程研究现状

Zhang等[23]研究马氏体不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb的动态力学性能和本构关系。应力-应变曲线分析表明，不锈钢呈现应变率强化和热软化，高应变率塑性变形过程中的绝热温升对材料产生热软化作用。借助Johnson-Cook（JC）和幂律（PL）本构模型，拟合了马氏体不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb的动态本构关系，得到了相关系数（R）和平均绝对相对误差（AAREs）比较了两种本构模型。结果表明，通过本构模型获得的曲线与测试曲线在合理程度上匹配。R值为0.96833和0.97780而通过J-C和P-L模型获得的AARE分别为4.77%和2.25%。P-L模型在拟合精度上略优于J-C模型。Liu等[24]发现0.4C-13Cr马氏体不锈钢的变形抗力随着氮含量的增加而提高。其原因与固溶氮原子、Cr2N颗粒对位错和晶界的钉扎作用有关。氮引起的钉扎效应在动态再结晶（DRX）的发展和微观结构演变中也起着重要作用。在0.4C-13Cr钢中添加的氮越多，DRX发生越早，DRX动力学越慢，微观结构越精细。Zhao等[25]通过高温热压缩试验研究了1Cr12Ni2Mo2WVNb马氏体不锈钢的热变形行为，并建立了应变补偿的Arrhenius本构方程。预测值与实验值的相关系数R为0.994，计算平均绝对相对误差（%）值为3.7845%。Qi等[26]通过两道次热压缩试验研究了马氏体不锈钢的静态再结晶行为。通过线性拟合流变应力数据，得到标准JMAK方程中的参数。基于JMAK方程，建立了马氏体不锈钢的静态再结晶动力学模型。

4 常见涡轮盘的失效类型

F16军用飞机上使用的喷气燃料启动器（JFS）涡轮叶轮上观察到大量裂纹、主要材料损失、金属沉积和点蚀。检查可研究的涡轮叶轮叶片表面时，叶片表面的裂纹是在热疲劳的辅助下从多个点开始的，重复载荷增强了从叶片边缘到中心的裂纹。最后，由于残余横截面没有承受克服其上的过载效应，残余横截面被完全折断。涡轮叶片损坏后，JFS发生了不平衡故障。在这种情况下，压气机叶轮与机壳发生摩擦，机壳表面和压气机叶轮叶片因摩擦而出现一定程度的损伤，JFS后轴承解体[27]。涡轮叶片是火力发电厂的关键部件之一，它的故障将导致发电厂停止运行。

Rivaz等[2]研究410不锈钢型汽轮机叶片在工作约165，000 h后损坏，以确定所涉及的可能故障机制。结果表明断裂表面存在疲劳迹象。SiO2和Fe2O3异物的存在会带来腐蚀的影響并导致故障速度的增加，并提出了行喷丸处理或应用一些保护涂层来增加这类型涡轮叶片的使用寿命的建议。Yang等[28]研究发现叶片局部热影响区存在高水平的显微组织应力，是导致叶片失效的直接因素。热影响区和高频淬火区热处理不合格导致分布不均匀的细小马氏体是失效的根本原因。根据试验分析提出了防止涡轮叶片失效的建议。Hu等[29]研究涡轮盘GH4169高温合金在蠕变疲劳载荷下的裂纹扩展行为，发现该合金的裂纹扩展速率随保温时间显着增加。晶界在保温过程中氧化，从而诱发晶间蠕变疲劳断裂模式。此外，在相同保温时间下的测试数据显示裂纹扩展速率分散。因此，通过引入裂纹扩展速率的分布因子，提出了基于Saxena方程的修正模型。显微组织观察证实，较小的晶粒尺寸和较高的δ相体积分数导致了650 °C的快速蠕变-疲劳裂纹扩展速率，从而表明细晶和晶界δ相的存在增加了高温下弱化界面的数量，晶间裂纹可能在此界面上形成和扩展。

5 结语

涡轮盘等对马氏体不锈钢的各项力学性能的要求比较高，如何通过复杂的工艺来提高韧性保证塑性成为马氏体不锈钢的重要的研究方向。对马氏体不锈钢今后需要解决的问题主要有：（1）优化马氏体不锈钢中的合金元素，减少熔炼过程中杂质元素，同时注重工业成本以及环境保护;（2）对马氏体进行合理的热处理工艺或渗氮、渗碳等表面处理，增加马氏体不锈钢的的强度、耐磨损等各项力学性能，增加马氏体不锈钢工件的服役寿命;（3）研制组织与性能更优的新型马氏体不锈钢。

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