馬氏體不銹鋼研究現狀及發展趨勢

韓慢慢 江濤 蒲博瑋

摘 要：馬氏體不銹鋼是一種可以通過熱處理來調整性能的鋼，具有高強度、高硬度、高韌性、耐磨和耐腐蝕等優點，因此被廣泛應用在工程領域中。本文闡述了馬氏體不銹鋼的合金化與熔煉現狀，熱處理對馬氏體不銹鋼的力學性能的影響，馬氏體不銹鋼的動態力學性能以及本構方程的研究現狀，渦輪盤的失效類型等，并對馬氏體不銹鋼及渦輪盤件未來發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：馬氏體不銹鋼熱處理力學性能渦輪盤

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

馬氏體不銹鋼具有高強度、高硬度、高韌性、耐磨和耐蝕等優點，在航空航天、石油化工、航海、高鐵等行業中起到至關重要的作用。例如，超級13Cr馬氏體不銹鋼是一種基于Fe-Cr-Ni-Mo系統的低碳馬氏體不銹鋼，由于其具有韌性、焊接性、耐蝕性、易熱處理性和相對較低的價格等優點，被廣泛用作高溫高壓油氣田的油管鋼[1]。440C是馬氏體不銹鋼中最硬的鋼，高達17 wt.%的高鉻含量增強了該鋼的耐腐蝕性，適用于重型應用，包括閥門組件、座圈、滾珠軸承、量塊和汽車零件[2]。410馬氏體不銹鋼又被稱為抗蠕變合金鋼，適用于直接暴露在高溫和高壓力的環境中渦輪機的轉子及其附屬物[3]。低碳超級馬氏體不銹鋼與傳統等級的馬氏體不銹鋼相比，特別適用于深井和熱油氣井的開發，因為它具有更好的可靠性、機械性能和高耐腐蝕性。本文闡述了馬氏體不銹鋼的合金化與熔煉現狀，熱處理對馬氏體不銹鋼的力學性能的影響，馬氏體不銹鋼的動態力學性能以及本構方程的研究現狀等，并對馬氏體不銹鋼及渦輪盤件未來發展趨勢進行了展望。

1馬氏體不銹鋼的合金化與熔煉

馬氏體不銹鋼中合金元素，元素含量不同作用也不相同。Hu等[4]發現無V涂層主要由馬氏體和鐵素體、微量M23C6和M2N組成，而含V涂層主要由M、F、M23C6和VN納米沉淀物組成，它們的數密度隨著V含量的增加而增加。V微合金化會對所得MSS激光熔覆試樣的機械性能產生重大影響。隨著V含量的增加，試樣的延伸率增加，而拉伸強度和顯微硬度先增加后降低。Chang等[5]研究發現無氮Cr15超級馬氏體不銹鋼在1050°C淬火和600～700°C回火時，組織為馬氏體和奧氏體交替分布的雙相組織。氮的加入增加了奧氏體的含量，使奧氏體形貌顯著改變為粗大塊狀和條狀分布。更重要的是，奧氏體和馬氏體之間形成微電偶腐蝕，使超級馬氏體不銹鋼的耐腐蝕性能變差。Jean等[6]研究發現相對于無Nb鋼，添加鈮可使韌脆轉變溫度降低100°C。Nb的主要作用是細化晶粒尺寸和促進殘余奧氏體膜，導致類似的抗解理裂紋萌生，但通過增加抗解理裂紋擴展能力顯著改善韌脆轉變行為。

目前馬氏體不銹鋼鑄錠的冶煉工藝[7]較多，其中兩步法和三步法最為常用。電渣重熔是利用電流通過熔渣時產生的電阻熱作為熱源進行熔煉的方法，是馬氏體不銹鋼熔煉的常用方法之一。00Cr12Ni10MoTi馬氏體時效不銹鋼錠制備工藝為構筑成形和三聯特冶（真空感應熔煉+真空自耗電弧熔煉+電渣重熔）[8]。馬小平等[9]在真空感應爐近常壓氣氛保護熔煉條件下研究氮在馬氏體不銹鋼中的溶解度，爐內保護氣體種類對鋼中氮的溶解度有較大影響，氮化鉻鐵合金加入量對鋼氮含量的影響因保護氣體種類不同而異。相比之下，兩次電渣重熔的效果比單次電渣重熔效果好，經過兩次電渣重熔可以使得馬氏體不銹鋼的塑性、韌性等力學性能得以提高[10]，同時在電渣重熔過程中，電流強度和冷卻強度都不會影響電渣重熔中夾雜物的類型，但會影響夾雜物的尺寸，增加電流強度或冷卻強度可細化夾雜物[11]。為了保證馬氏體不銹鋼的韌性耐腐蝕性能，常常在制備過程中對雜質元素（S、O等）進行去除[12]。

2熱處理對馬氏體不銹鋼力學性能的影響

Khashayar等[13]AISI420樣品的維氏顯微硬度試驗結果如圖所示發現回火時間的增加導致碳化物沉淀物的生長和各自體積分數的增加，硬度值降低，從而隨著回火時間的增加，樣品晶格微應變減小。Deng等[14]研究的中碳馬氏體不銹鋼發現通過優化奧氏體溫度和回火熱處理，中碳馬氏體不銹鋼表現出優異的機械性能，極限抗拉強度為1740±8 MPa，屈服強度為1237±19 MPa，總伸長（延性）為10.3±0.7%，沖擊韌性為94.6±8.0 J?cm?2。合金的延性增加主要歸因于RA通過轉化誘導塑性效應以及含有降低的碳和鉻含量的基質具有合適的穩定性。而中碳馬氏體不銹鋼的沖擊韌性在很大程度上取決于M23C6碳化物。Liu等[15]發現經過淬火和回火后，馬氏體不銹鋼的組織由回火馬氏體組成，逆奧氏體和少量碳化物。由于合金元素含量高，空冷時得到淬火馬氏體，殘余內應力大，造成沖擊韌性最低。回火后，由于殘余應力為釋放和減少內部缺陷，其沖擊韌性得到了很大的改善。調質處理后的樣品具有較高的沖擊韌性。Syarif等[16]研究了通過熱處理提高選擇性激光熔化15-5PH不銹鋼的顯微組織優化以提高耐腐蝕性。結果表明，時效處理后，富Cu納米顆粒（約10 nm）擴散析出，約18%～25%的奧氏體分布在熔池邊界附近。通過掃描開爾文探針力顯微鏡，奧氏體的表面電位比馬氏體的表面電位高約15 mV。但在固溶處理和時效處理后奧氏體相消失并析出新的NbC-（Mn，Si）O雙相顆粒，降低了SLM 15-5PH不銹鋼的耐點蝕性和鈍化膜穩定性。Deng等[17]基于調質-回火-分區（Q-T&P）工藝，設計了一種強度、塑性和沖擊韌性相結合的中碳馬氏體不銹鋼。Q-T&P是與標準的淬火回火（Q-T）工藝相同的熱處理，但在組織控制方面與淬火分塊（Q&P）具有相同的作用，即通過抑制碳化物析出促進富碳殘留奧氏體。結果表明：在強度不受影響的情況下，23Cr13MnSi合金的總延伸率和室溫沖擊韌性分別比商用AISI 420合金提高了14%和110%，分別為9.6%和90 J?cm2。該合金塑性和沖擊韌性的顯著提高主要是由Q-T&P過程中形成的具有非均相穩定性的富碳殘余奧氏體和無碳化物馬氏體引起的漸進相變誘導塑性（TRIP）效應所致。K?se等[18]發現馬氏體不銹鋼組織中殘余奧氏體相分數隨著熱處理的影響而增加，雙相不銹鋼組織中奧氏體相分數增加。熱處理馬氏體和雙相不銹鋼母材和熱處理焊接接頭的抗拉強度提高，但沖擊韌性下降，與母材相比，焊接接頭中孔隙和碳化物形成導致抗拉強度較低。采用氣體金屬弧焊方法對X20Cr13馬氏體不銹鋼進行多重修復焊發現研究了熱影響區的微觀結構和力學性能，微觀結構和力學性能沒有不利影響，但是提高了的沖擊韌性，促進了延展性斷裂。

Zhao等[19]發現隨著回火溫度的升高，回火鋼中富Ni的逆奧氏體含量增加。淬火鋼中未發現富鉬金屬間化合物和逆奧氏體。富鉬金屬間化合物對腐蝕膜的保護性能產生不利影響，因為與化合物相鄰的貧鉬區域的伏特電勢比鋼基體低約7 mV，破壞了腐蝕膜的穩定性。然而，逆奧氏體有利于腐蝕膜，因為它抑制了超級13Cr馬氏體不銹鋼的進一步腐蝕并增強了腐蝕膜的穩定性。因此，不含富鉬金屬間化合物的淬火鋼具有最高的耐蝕性，并且回火鋼的耐蝕性隨著回火溫度的升高而增加。Shahriari等[20]比較了熱處理的增材制造（AM）沉淀硬化馬氏體不銹鋼（SS）CX和AISI 420-SS的鍛造部件的耐腐蝕性能，鎳含量較低。熱處理AM-CX的微觀結構由馬氏體基體和少量納米級顆粒組成，而鍛造AISI 420-SS在馬氏體基體中含有約8%的奧氏體和富鉻碳化物。與AISI 420-S相比，AM-CX部件具有優異的耐腐蝕性能，這歸因于AM-CX SS中幾乎沒有富鉻碳化物和馬氏體殘留奧氏體界面，而它們在AISI 420-SS中存在使鈍化膜不穩定。Khare等[21]13Cr馬氏體不銹鋼（MSS）在奧氏體化和回火條件（300 °C、550 °C和700 °C）下的摩擦學特性，發現摩擦系數（COF）、磨損率和磨損機理隨回火溫度發生顯著變化。奧氏體化和300 °C回火條件隨時間表現出穩定的COF變化，而分別在550 °C和700 °C回火條件下觀察到COF隨時間波動和增加。回火條件的耐磨性低于奧氏體化條件，550 ℃回火條件的耐磨性最低。氧化鋁球的耐磨性也遵循與13Cr MSS相同的趨勢。在550 °C回火條件下觀察到配合面材料的耐磨性最低。這些觀察結果歸因于（a）大量納米碳化物的形成和（b）滑動過程中對接材料的嵌入。奧氏體化和300 °C回火條件顯示出磨料加輕度氧化磨損機制，而在550 °C和700 °C回火顯示分層加粘附痕跡的存在和壓實的摩擦層加嚴重氧化磨損機制。目前的結果清楚地突出了13Cr MSS對配合面氧化鋁球的磨損機制的變化，在回火處理過程中顯微組織發生了變化。Bonagani等[22]已經通過夏比沖擊試驗和慢應變速率拉伸（SSRT）試驗以及隨后的斷裂表面檢查研究了回火處理對13 wt.%Cr馬氏體不銹鋼（MSS）機械性能和氫脆（HE）的影響。奧氏體化和淬火試樣在300 °C、550 °C和700 °C下回火2.5 h。在550 °C回火的MSS在沖擊試驗后顯示脆性晶間（IG）斷裂，表明其對回火脆化的敏感性。實驗結果表明，13 wt.% Cr MSS對HE敏感。淬火狀態在氫預充本身期間顯示開裂。氫氣預充持續時間增加了回火MSS對HE的敏感性。在550 °C回火的試樣中觀察到最大的HE敏感性，強度和應變急劇下降至失效。在SSRT試驗中，在300 °C和550 °C下回火顯示出IG脆性斷裂，而在700 °C下回火的試樣隨著預充電時間的增加，觀察到具有延展性凹坑的區域增加。在550 °C回火的試樣對HE的最大敏感性的原因是由于氫和在原奧氏體晶界分離的雜質的協同相互作用。

3 馬氏體不銹鋼動態力學性能與本構方程研究現狀

Zhang等[23]研究馬氏體不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb的動態力學性能和本構關系。應力-應變曲線分析表明，不銹鋼呈現應變率強化和熱軟化，高應變率塑性變形過程中的絕熱溫升對材料產生熱軟化作用。借助Johnson-Cook（JC）和冪律（PL）本構模型，擬合了馬氏體不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb的動態本構關系，得到了相關系數（R）和平均絕對相對誤差（AAREs）比較了兩種本構模型。結果表明，通過本構模型獲得的曲線與測試曲線在合理程度上匹配。R值為0.96833和0.97780而通過J-C和P-L模型獲得的AARE分別為4.77%和2.25%。P-L模型在擬合精度上略優于J-C模型。Liu等[24]發現0.4C-13Cr馬氏體不銹鋼的變形抗力隨著氮含量的增加而提高。其原因與固溶氮原子、Cr2N顆粒對位錯和晶界的釘扎作用有關。氮引起的釘扎效應在動態再結晶（DRX）的發展和微觀結構演變中也起著重要作用。在0.4C-13Cr鋼中添加的氮越多，DRX發生越早，DRX動力學越慢，微觀結構越精細。Zhao等[25]通過高溫熱壓縮試驗研究了1Cr12Ni2Mo2WVNb馬氏體不銹鋼的熱變形行為，并建立了應變補償的Arrhenius本構方程。預測值與實驗值的相關系數R為0.994，計算平均絕對相對誤差（%）值為3.7845%。Qi等[26]通過兩道次熱壓縮試驗研究了馬氏體不銹鋼的靜態再結晶行為。通過線性擬合流變應力數據，得到標準JMAK方程中的參數。基于JMAK方程，建立了馬氏體不銹鋼的靜態再結晶動力學模型。

4 常見渦輪盤的失效類型

F16軍用飛機上使用的噴氣燃料啟動器（JFS）渦輪葉輪上觀察到大量裂紋、主要材料損失、金屬沉積和點蝕。檢查可研究的渦輪葉輪葉片表面時，葉片表面的裂紋是在熱疲勞的輔助下從多個點開始的，重復載荷增強了從葉片邊緣到中心的裂紋。最后，由于殘余橫截面沒有承受克服其上的過載效應，殘余橫截面被完全折斷。渦輪葉片損壞后，JFS發生了不平衡故障。在這種情況下，壓氣機葉輪與機殼發生摩擦，機殼表面和壓氣機葉輪葉片因摩擦而出現一定程度的損傷，JFS后軸承解體[27]。渦輪葉片是火力發電廠的關鍵部件之一，它的故障將導致發電廠停止運行。

Rivaz等[2]研究410不銹鋼型汽輪機葉片在工作約165，000 h后損壞，以確定所涉及的可能故障機制。結果表明斷裂表面存在疲勞跡象。SiO2和Fe2O3異物的存在會帶來腐蝕的影響并導致故障速度的增加，并提出了行噴丸處理或應用一些保護涂層來增加這類型渦輪葉片的使用壽命的建議。Yang等[28]研究發現葉片局部熱影響區存在高水平的顯微組織應力，是導致葉片失效的直接因素。熱影響區和高頻淬火區熱處理不合格導致分布不均勻的細小馬氏體是失效的根本原因。根據試驗分析提出了防止渦輪葉片失效的建議。Hu等[29]研究渦輪盤GH4169高溫合金在蠕變疲勞載荷下的裂紋擴展行為，發現該合金的裂紋擴展速率隨保溫時間顯著增加。晶界在保溫過程中氧化，從而誘發晶間蠕變疲勞斷裂模式。此外，在相同保溫時間下的測試數據顯示裂紋擴展速率分散。因此，通過引入裂紋擴展速率的分布因子，提出了基于Saxena方程的修正模型。顯微組織觀察證實，較小的晶粒尺寸和較高的δ相體積分數導致了650 °C的快速蠕變-疲勞裂紋擴展速率，從而表明細晶和晶界δ相的存在增加了高溫下弱化界面的數量，晶間裂紋可能在此界面上形成和擴展。

5 結語

渦輪盤等對馬氏體不銹鋼的各項力學性能的要求比較高，如何通過復雜的工藝來提高韌性保證塑性成為馬氏體不銹鋼的重要的研究方向。對馬氏體不銹鋼今后需要解決的問題主要有：（1）優化馬氏體不銹鋼中的合金元素，減少熔煉過程中雜質元素，同時注重工業成本以及環境保護;（2）對馬氏體進行合理的熱處理工藝或滲氮、滲碳等表面處理，增加馬氏體不銹鋼的的強度、耐磨損等各項力學性能，增加馬氏體不銹鋼工件的服役壽命;（3）研制組織與性能更優的新型馬氏體不銹鋼。

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