技术领域
[0001] 本
发明涉及超高强度
不锈钢领域，具体地，本发明涉及一种超高强度不锈钢热处理工艺。
背景技术
[0002]
汽轮机长
叶片，特别是气道长度大于1.2m的汽轮机长叶片对
抗拉强度、韧性、延性断裂、高、低周疲劳强度以及不同介质
腐蚀疲劳强度和抗冲蚀性等性能均具有较高的要求，其中强度、塑性和韧性的匹配是常规考核的主要指标，而这些性能要求与航空领域某些零部件的要求相吻合。所以，目前汽轮机长叶片材料的研究趋势则是从在航空材料领域挑选业绩较突出的材料经过一系列工艺的改进来满足汽轮机长叶片的性能要求，这样缩短了材料设计周期并节约了
费用。
[0003] 通常把抗拉强度高于800MPa，
屈服强度高于500MPa的不锈钢称为高强度不锈钢，把屈服强度高于1380MPa的不锈钢称为超高强度不锈钢。
马氏体沉淀硬化不锈钢是高强度不锈钢的一种，这类钢的强度是通过马氏体
相变和沉淀硬化处理来实现的，优点是强度较高，同时由于低
碳、高铬、高钼和/或高
铜，其耐蚀性一般不会低于18Cr-8Ni奥氏体不锈钢；易切削，易
焊接，焊后一般不需局部
退火，热处理工艺也比较简单。
[0004] 13Cr-8Ni-2.2Mo-1.1Al钢（化学成分见表1）是马氏体沉淀硬化不锈钢的一种。它不仅具有高硬度和优良的综合性能，而且该钢大截面可淬透并获得一致的纵、横向性能。该钢耐蚀性能优于1Cr13和0Cr17Ni2马氏体不锈钢，具有与17-4PH相当的抗一般腐蚀能
力和优良的抗
应力腐蚀能力，适合用作制造汽轮机长叶片。
[0005] 表1化学成分（wt%）
[0006]
[0007] 13Cr-8Ni-2.2Mo-1.1Al钢用作航空锻件的性能要求中对冲击韧性没明确要求，而汽轮机长叶片对冲击韧性有明确要求，且要求强度和韧性达到良好匹配。目前所属领域技术人员已开始通过改进高强度不锈钢的热处理工艺，改善不锈钢的韧性和强度，但是获得的高强度不锈钢性能都不能达到要求。
[0008] 例如CN 101509056A提供了一种马氏体沉淀硬化不锈钢FV520B的热处理方法，具体地说是将马氏体沉淀硬化不锈钢FV520B在较高
温度进行短时间回火，之后采取缓慢冷却的方式，使得该马氏体沉淀硬化不锈钢具有优良的韧性和强度组合。但是该方法仅适用于对强度要求中等及韧性要求较高的马氏体沉淀硬化不锈钢，但汽轮机长叶片对用材的要求则更倾向于获得更高的强度，逆转变奥氏体的存在则会大大降低了材料的强度，故此热处理方法不适用于制造汽轮机长叶片。
[0009] 因此，迫切需要进行一系列试验，对13Cr-8Ni-2.2Mo-1.1Al钢锻件的原有热处理工艺进行改进，以满足汽轮机长叶片的性能要求。
发明内容
[0010] 针对
现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种马氏体沉淀硬化不锈钢的热处理工艺。本发明是在马氏体沉淀硬化不锈钢的常规热处理工艺的固溶处理工序和时效处理工序中增加一道
冰冷处理工序，以达到强度、塑性和韧性的匹配。原因如下：经固溶处理并冷却至常温后的组织是马氏体基体内含少量奥氏体+少量δ
铁素体，由于常温下具有奥氏体组织，此时钢具有良好的冷加工能力，易于成形和焊接。随后进行时效处理，残余奥氏体开始转变为马氏体，但
原子在δ铁素体中的扩散速度要比奥氏体中大几个数量级，造成δ铁素体过多，且δ铁素体不参与马氏体转变，导致马氏体相变不完全，降低了钢材的强度。而马氏体沉淀硬化不锈钢的Ms和终了温度Mf比较低，室温下不能完全变成马氏体的不锈钢，因此应增加冷处理工序，然后再时效，作为固溶处理以后进行的中间处理。生产验证试验表明，采用优化的热处理工艺后，材料的各项性能指标完全满足汽轮机长叶片用钢的使用性能要求。
[0011] 所述热处理工艺包括以下步骤：
[0012] （1）固溶处理，冷却；
[0013] （2）冰冷处理：温度-5~2℃，至少1小时；
[0014] （3）时效处理。
[0015] 优选地，所述马氏体沉淀硬化不锈钢为13Cr-8Ni-2.2Mo-1.1Al钢。
[0016] 优选地，所述固溶处理温度为900℃~1040℃，进一步优选为910~950℃，特别优选925℃。
[0017] 优选地，所述固溶处理时间为至少0.5小时，例如0.51小时、0.6小时、1小时、2小时、3小时、5小时、10小时等，特别优选为至少1小时。
[0018] 优选地，所述固溶处理后冷却终点为20℃以下，例如19℃、17℃、15℃、14℃、12℃、0℃、8℃、6℃、4℃、2℃等，进一步优选为18℃以下，特别优选为16℃以下。
[0019] 优选地，所述固溶处理后冷却方式为
风冷；冷却速度过慢，奥氏体转变为马氏体不完全；冷却速度过快，例如采用
水冷，会产生较大的淬火应力，易引起
工件变形或开裂；采用风冷，易实现，又节能环保。
[0020] 优选地，所述冰冷处理温度为-2~1℃，特别优选为0~1℃；优选地，所述冰冷处理在冰水中进行。
[0021] 所述冰冷处理时间可以为1.1小时、1.2小时、1.5小时、1.9小时、2.1小时、2.5小时、3小时、5小时、10小时等，优选为至少2小时。
[0022] 优选地，所述冰冷处理后冷却；优选地，所述冰冷处理后冷却终点为室温；优选地，所述冰冷处理后冷却为空冷；所述冰冷处理后的冷却指的是使钢的温度恢复至室温或需要的温度。
[0023] 优选地，所述时效处理温度为520~570℃，进一步优选为530~550℃，特别优选为530~535℃；13Cr-8Ni-2.2Mo-1.1Al马氏体沉淀硬化不锈钢主要依靠高
密度位错的细小板条马氏体以及弥散析出的B2型有序相β-NiAl强化，530℃左右时效强度达到峰值；高于
535℃时效，β-NiAl粒子逐渐长大，逐渐与基体失去共格关系，且逆转变奥氏体的含量不断增加，因此，时效温度过高（≥535℃）时效，强度明显下降，强度偏低，不能满足汽轮机长叶片对叶片钢的强度性能要求。
[0024] 优选地，所述时效处理时间为至少2小时，例如2.1小时、2.2小时、2.5小时、2.9小时、3.1小时、3.5小时、3.9小时、4.1小时、4.5小时、5小时、8小时、10小时、15小时、20小时等，进一步优选为至少3小时，特别优选为至少4小时。
[0025] 优选地，所述时效处理后冷却；优选地，所述时效处理后冷却终点为室温；优选地，所述时效处理后冷却为空冷。
[0026] 本发明的目的之一还在于提供一种马氏体沉淀硬化不锈钢，所述马氏体沉淀硬化不锈钢由上述热处理工艺获得，是一种超高强度不锈钢。
[0027] 本发明的目的之一还在于提供一种所述马氏体沉淀硬化不锈钢的用途，所述马氏体沉淀硬化不锈钢可用作汽轮机长叶片。优选地，所述汽轮机长叶片气道长度大于1.2m。
[0028] 本发明的目的之一还在于提供一种13Cr-8Ni-2.2Mo-1.1Al钢。所述13Cr-8Ni-2.2Mo-1.1Al钢的组成见表1，其特征在于，所述13Cr-8Ni-2.2Mo-1.1Al钢由上述热处理工艺获得，是一种超高强度不锈钢。
[0029] 原理如下：经固溶处理并冷却至常温后的组织是马氏体基体内含少量奥氏体+少量δ铁素体，由于常温下具有奥氏体组织，此时钢具有良好的冷加工能力，易于成形和焊接。随后进行时效处理，残余奥氏体开始转变为马氏体，但原子在δ铁素体中的扩散速度要比奥氏体中大几个数量级，造成δ铁素体过多，且δ铁素体不参与马氏体转变，导致马氏体相变不完全，降低了钢材的强度。而13Cr-8Ni-2.2Mo-1.1Al钢的Ms和终了温度Mf比较低，室温下不能完全变成马氏体的不锈钢，应增加冷处理工序，然后再时效，作为固溶处理以后进行的中间处理。
[0030] 本发明的目的之一还在于提供一种所述13Cr-8Ni-2.2Mo-1.1Al钢的用途，所述13Cr-8Ni-2.2Mo-1.1Al钢可用作汽轮机长叶片，特别优选用作气道长度大于1.2m的汽轮机长叶片。
[0031] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0032] （1）相比沉淀硬化马氏体不锈钢（特别是13Cr-8Ni-2.2Mo-1.1Al钢）的原有热处理工艺，本发明的优化热处理工艺增加了中间处理工序，使残余奥氏体进一步转变为马氏体，提高了材料的强度；
[0033] （2）相比现有的其它
深冷处理方法如液氮冷却、
干冰冷却等，本发明采用的冰冷处理方法安全系数高、环保，且对设备要求低、操作简单、易于控制，大大减少了生产成本。
附图说明
[0034] 图1是本发明中汽轮机长叶片叶根部位的高倍组织照片（500×，晶粒度6级）；
[0035] 图2是本发明中汽轮机长叶片叶顶部位的高倍组织照片（500×，晶粒度5~6级）。
具体实施方式
[0036] 为便于理解本发明，本发明列举
实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
[0037] 实施例1：进行13Cr-8Ni-2.2Mo-1.1Al钢原材料热处理工艺试验，摸索所选多种热处理方案的可行性并筛选出较优的热处理工艺
[0038] 热处理具体工艺如表2所示，力学性能结果如表3所示。
[0039] 表2原材料热处理试验方案
[0040]
[0041] 表3力学性能检测结果
[0042]
[0043] 根据表3的实验结果，优选热处理工艺：固溶：925℃±15℃，至少0.5h，冷至16℃以下，然后冰冷处理：0~1℃冰水，至少2h，取出，空冷至室温，最后时效：530℃~550℃，至少4h，空冷至室温。
[0044] 实施例2：用13Cr-8Ni-2.2Mo-1.1Al钢模拟汽轮机长叶片叶根变形量进行变形试验，进一步优选热处理工艺参数
[0045] 具体工艺参数如表4所示，力学性能见表5所示。
[0046] 表4变形锻件热处理试验方案
[0047]
[0048] 表5变形锻件的力学性能检测结果
[0049]
[0050] 根据表5的结果，优选热处理工艺中时效温度为530℃~535℃。
[0051] 实施例3：采用优选热处理工艺对1:1汽轮机长叶片进行热处理，验证所优选的热处理工艺的适应性
[0052] 采用实施例1和实施例2优选的热处理工艺处理13Cr-8Ni-2.2Mo-1.1Al钢的1：1汽轮机长叶片。所述热处理工艺为：固溶：925℃±15℃，至少1h，冷至16℃以下，然后冰冷处理：0~1℃冰水，至少2h，取出，空冷至室温，最后时效：530℃~535℃，至少4h，空冷至室温。
[0053] 汽轮机长叶片叶根和叶顶力学性能检测结果如表6所示。图1和图2分别为叶根部位和叶顶部位对应的金相组织照片。
[0054] 表6汽轮机长叶片的力学性能检测结果
[0055]
[0056]
[0057] 由实验结果可以看出，汽轮机长叶片的力学性能和显微组织均满足汽轮机长叶片对叶片钢的使用性能要求，进一步验证了优选热处理工艺制度的可行性。
[0058] 实施例4
[0059] 将沉淀硬化马氏体不锈钢17-4PH（0Crl7Ni4Cu4Nb）制成1:1汽轮机长叶片，进行热处理，包括：固溶处理：在1040℃进行固溶处理0.5小时，风冷至20℃；冰冷处理：在1~2℃冰水中冰冷处理3小时，空冷至室温；时效处理：在570℃处理2小时，空冷至室温。
[0060] 对热处理之后的汽轮机长叶片进行测试，测试结果如表7所示。
[0061] 表7
[0062]
[0063]
[0064] 实施例5
[0065] 将沉淀硬化马氏体不锈钢13Cr-8Ni-2.2Mo-1.1Al制成1:1汽轮机长叶片，进行热处理，包括：固溶处理：在900℃进行固溶处理1小时，风冷至20℃；冰冷处理：在-5~0℃冰水中冰冷处理1小时，空冷至室温；时效处理：在520℃处理8小时，空冷至室温。
[0066] 对热处理之后的汽轮机长叶片进行测试，测试结果如表8所示。
[0067] 表8
[0068]
[0069] 由以上实验结果可知，本发明在试验的
基础上最终确定了汽轮机长叶片用沉淀硬化马氏体不锈钢（特别是13Cr-8Ni-2.2Mo-1.1Al钢）的最佳热处理工艺，不但解决了因残余奥氏体的未完全转变导致的强度偏低的问题，使该钢的强度、塑性和韧性达到了良好匹配；而且提供了一种新的优化工件热处理工艺的思路和方法。
[0070]
申请人
声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
