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20世紀80年代，國際鎳公司（INCO）研制出無鈷馬氏體時效鋼T250，該鋼在C250基礎(chǔ)上去掉Co元素，降低Mo含量，增加了Ti含量，性能接近C250。1995年，國內(nèi)撫順特有限公司、鋼鐵研究總院與西安長峰機電研究所聯(lián)合成功研制國產(chǎn)T250鋼。目前，T250鋼憑借超高強度和較好的韌性，已廣泛應(yīng)用于發(fā)動機燃燒室殼體。

某型號T250鋼發(fā)動機燃燒室殼體（以下簡稱“殼體”）由前后連接環(huán)和筒體組焊成形，是發(fā)動機上承受高溫、高壓的關(guān)鍵部件。試制殼體在水壓測試過程中發(fā)生開裂。

本文以水壓試驗過程中開裂的殼體為對象，通過光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察開裂部位的微觀形態(tài)、斷口形貌，分析了裂紋與金相組織的關(guān)系，找到造成水壓裂紋形成的直接原因，提出并驗證了預(yù)防水壓裂紋的熱處理措施。

一、試驗方法及結(jié)果分析

殼體加工工藝流程為：原材料→鍛造→毛坯固溶→一道次旋壓→道次間固溶→二道次旋壓→旋壓筒體時效→切頭組焊前后連接環(huán)→焊后時效。

本次失效分析針對該殼體熱加工過程進行，取樣編號，見表1。

表1  試樣標記

1.1 掃描電鏡斷口分析

對取樣進行斷口掃描觀察（見圖1），Y1是非正常的脆性斷口，呈沿晶斷裂，組織非常粗大；Y2樣品斷口正常，屬于韌性斷口，主要以韌窩為主；1S、2S、SY2均為非正常的脆性斷口，呈沿晶斷裂；SY1是混合斷口，以準解理為主，伴隨著少部分沿晶斷裂，主要分布在夾雜物形成的孔洞處。

圖1  斷口形貌觀察

1.2 金相分析

經(jīng)金相觀察，試樣的晶粒都非常粗大，如圖2所示。Y1、Y2樣品的晶粒度分別為2.5級和2.0級，經(jīng)過重新鍛造的1S和2S試樣的晶粒度為2級。產(chǎn)品狀態(tài)SY2的晶粒同樣非常粗大，晶粒度為1.5級。

圖2  晶粒度

原始狀態(tài)Y1非正常斷裂的形式均為沿晶的脆性斷裂，主要是因晶粒和組織粗大而造成的，晶界處未發(fā)現(xiàn)析出相。

經(jīng)過鍛造（1S、2S）和水壓試驗的（SY1、SY2）樣品經(jīng)過熱加工后組織不僅沒有細化，個別的晶粒尺寸比鍛造以前還要粗大，說明鍛造工藝存在問題，或鍛打次數(shù)和終鍛溫度存在問題，沒能夠細化組織，造成沿晶脆性斷裂。

二、改進措施及效果驗證

針對馬氏體時效鋼，分別采用一次正火和雙重正火處理的方式細化晶粒。將原有試樣重新編號，按照新的熱處理制度再次進行處理，見表2。

表2  試樣熱處理制度

經(jīng)過正火處理后，試樣晶粒度有明顯的改善，并且雙重正火的晶粒細化效果明顯好于一次正火。正火處理細化的金相組織如圖3所示，晶粒度的評級結(jié)果見表3。通過正火處理，在金相組織中，未發(fā)現(xiàn)晶界處存在析出相。

圖3  金相組織

表3  晶粒度評級結(jié)果  （級）

通過上述試驗論證，將同批鍛件加工流程調(diào)整為：（原材料→鍛造）→雙重正火→毛坯固溶→一道次旋壓→道次間固溶→二道次旋壓→旋壓筒體時效→切頭組焊前后連接環(huán)→焊后時效。

對加工殼體逐件進行水壓試驗，采用上述流程加工的殼體，水壓期間未出現(xiàn)開裂失效及其他失效現(xiàn)象，滿足設(shè)計水壓相關(guān)要求。

三、結(jié)束語

1）殼體材料晶粒粗大是造成殼體水壓開裂失效的直接原因。

2）T250馬氏體時效鋼通過正火處理，可以細化晶粒。

3）T250馬氏體時效鋼采用雙重正火細化晶粒的效果，優(yōu)于一次正火。