【摘 要】
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21CoCrNi钢是一种新型二次硬化超高强度钢,其Cr的质量分数达到10%,因此具备良好的耐腐蚀性能,已成功应用于多种航空结构件。21CoCrNi钢采用双回火工艺进行热处理,工艺复杂,而关于其熔炼工艺和热处理工艺优化的研究报道较少,热处理工艺变化对其微观组织和强韧性能的影响机理也还不明晰。本文对比了不同种类稀土及A1添加对21CoCrNi钢洁净度的影响,研究了复杂的双回火工艺和低成本的单回火工艺对
【基金项目】
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“东北大学基本科研业务费研究生创新项目（N152306001）”；
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21CoCrNi钢是一种新型二次硬化超高强度钢,其Cr的质量分数达到10%,因此具备良好的耐腐蚀性能,已成功应用于多种航空结构件。21CoCrNi钢采用双回火工艺进行热处理,工艺复杂,而关于其熔炼工艺和热处理工艺优化的研究报道较少,热处理工艺变化对其微观组织和强韧性能的影响机理也还不明晰。本文对比了不同种类稀土及A1添加对21CoCrNi钢洁净度的影响,研究了复杂的双回火工艺和低成本的单回火工艺对其微观组织和性能的影响,以达到优化制备工艺、提升21CoCrNi钢强韧性能的目的。本文共冶炼7炉21CoCrNi-RE/Al钢,冶炼设备为真空感应炉和真空自耗炉,在冶炼过程分别加入稀土 La、稀土 Ce以及Al,并使用金相显微镜和扫描电镜分析了不同种类稀土及Al对钢中夹杂物种类和分布的影响。本文开展了不同固溶温度、不同回火温度、不同时效时间的热处理实验,采用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪以及热膨胀仪等设备分析了 21CoCrNi-RE/Al钢在热处理过程中奥氏体的变化和第二相的溶解和析出规律。本文还对添加稀土或Al的钢在不同热处理工艺下的室温拉伸和冲击性能进行了测试,研究了 21CoCrNi-RE/Al钢微观组织变化与其力学性能的关系,稀土或Al添加对力学性能的影响。通过以上的研究,本文得到以下重要的结论:（1）添加稀土的21CoCrNi钢主要含有稀土氧化物和稀土氧硫化物夹杂。Ce质量分数为0.03%的钢中夹杂物平均尺寸最小,为1.458 μm,La质量分数为0.2%的钢中夹杂物平均尺寸最大,为3.959 μm,其夹杂物数量也最多。添加稀土 Ce的钢中夹杂物分布和机械性能优于添加稀土 La的钢。添加稀土 Ce的21CoCrNi-Ce钢经过双回火工艺后的抗拉强度可达1914 MPa,总延伸率为14%,夏比冲击功为7.5 J。（2）锻后退火的21CoCrNi-Ce钢中第二相主要为M23C6,且偏聚严重,部分尺寸大于1μm,多数在100 nm左右,主要成分为C、Cr、Mo和W。在1085℃保温1h固溶处理后,这些第二相可完全溶解。（3）21CoCrNi-Ce钢时效前存在三种形态的孪晶,时效处理时,孪晶界面可成为M2C型碳化物的优先形核位置,M2C碳化物与马氏体基体存在如下位向关系:[211]carbide//[135]α,（111）carbide//（121）α。时效处理的样品中存在淬火产生的块状残余奥氏体和回火产生的薄膜状逆转奥氏体,逆转奥氏体宽度为5 nm左右,均匀分布在马氏体板条界面。（4）单回火热处理的回火温度达到440℃以上时,钢中残余奥氏体发生二次淬火,在500～540℃之间回火时奥氏体最少,体积分数约为3.2%。试样在580℃以上回火时会发生α→γ相变,奥氏体大量形成并富集了 Ni和Cr元素。21CoCrNi-Ce钢在482 ℃回火时存在M7C3和M2C两种碳化物,尺寸小于10 nm。在630℃回火时,存在大量的M2C和M23C6,尺寸分别达到50 nm和500nm以上。（5）单回火热处理时,残余奥氏体分解产生的相变强化和第二相的析出强化共同促使钢在482℃出现强化峰。在482℃回火6 h的情况下,21CoCrNi-Ce钢获得了抗拉强度1945 MPa、屈服强度1543 MPa、总延伸率11.9%、冲击功18 J的良好性能。相比于双回火工艺,单回火热处理工艺在保障钢强度的同时,提升了室温冲击功。（6）Al对21CoCrNi-Ce钢力学性能的影响主要通过其对残余奥氏体的影响。Al降低了 21CoCrNi-Ce钢在高温回火后的奥氏体体积分数,进而提升了钢的峰值强度,Al质量分数为1.66%的21CoCrNi-Ce钢在540℃回火后抗拉强度可达2117 MPa。Al还提升了逆转奥氏体的形成温度,使21CoCrNi-Ce钢的峰值强度对应的回火温度升高,Al质量分数为3.2%的钢强度最高时对应的回火温度为580℃。
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