对半机匣作为航空发动机压气机的重要组成部分，工作环境十分恶劣，不仅要在高温环境下工作，还要承受一般腐蚀介质侵蚀、空蚀等多种工况。因此要求对半机匣不仅具有较高的强度和韧性，还要有良好的耐腐蚀性。同时为了便于加工，材料硬度也必须在要求的范围内。 目前对半机匣的力学性能指标是： 抗拉强度σb≥750 MPa、 屈服强度σ0.2≥550 MPa、伸长率A≥15%、面缩率Z≥35%、冲击功AKV≥50 J，布氏硬度(HBW)：221～294。 对半机匣使用06Cr16Ni5Mo 合金精密铸造而成。 06Cr16Ni5Mo是超低碳马氏体不锈钢[1-4]，该合金具有很好的塑形，耐腐蚀能力。 研究表明， 不同热处理工艺对于06Cr16Ni5Mo合金的组合和性能有很大的影响[5-10]，工业上常采用的热处理工艺是淬火+回火处理[11-13]。
本文通过对06Cr16Ni5Mo合金试样在不同淬火和回火温度下热处理试验，对不同热处理条件下合金相的析出、转变对性能影响进行研究，确定合金及机匣最佳热处理工艺，以满足机匣的性能控制要求，保证机匣工作的安全性、可靠性。
1 实验材料与方法
采用06Cr16Ni5Mo合金作为研究对象， 其化学成分见表1， 热处理工艺参数见表2。 通过熔模精密铸造技术在真空感应炉中浇注出试棒(ø15 mm×70 mm)，根据表2试验方案和工艺参数将06Cr16-Ni5Mo试棒在高压气淬真空炉中，采用阶梯加热，升温速率小于15 ℃/min， 进行不同淬火温度的热处理。 淬火后将试棒加工为直径为6 mm，标距长度为30 mm的标准拉伸试样和10 mm×10 mm×55 mm标准V型冲击试样。 分别采用《金属室温拉伸试验方法》(HB 5143)和《金属室温冲击试验方法》(HB 5144)进行室温条件下的拉伸试验(设备型号：Landmark)和冲击试验(设备型号：NI750C)。 试验完成后，对试样的断裂处采用GX-71型光学显微镜和Sigma300型扫描电镜进行金相组织的观察。
表1 06Cr16Ni5Mo不锈钢合金化学成分
Tab.1 Chemical composition of the 06Cr16Ni5Mo stainless steel alloy(mass fraction/%)
ElementCSiMnPSCrNiMoCuV Content0.0490.420.300.0110.002 916.445.570.710.003 90.003 7
表2 不同热处理工艺参数
Tab.2 Parameters for different heat treatment processes
Heat treatment Temperature/℃Holding time/min Cooling method 950 Quenching 1 000 1 070 1 10040Air cooling(AC)Tempering 550 580 650 700
根据测试结果选取性能最佳试样的淬火温度作为最优方案。 以最佳的淬火温度对试样进行淬火热处理，而后展开不同回火温度的热处理试验，按上述相同办法进行试样的拉伸和冲击试验， 以及对试样进行组织分析。
2 实验结果及讨论
2.1 淬火温度对06Cr16Ni5Mo合金组织和力学性能的影响
图1 和2 为06Cr16Ni5Mo 合金分别经过950、1 000、1 070、1 100 ℃淬火后的金相组织及SEM图像。由图1和2可知，经过淬火处理后合金的组织主要为板条状淬火马氏体+δ-铁素体+残余奥氏体。 通过扫描电镜可以观察到，最宽的板条界可达2.1 μm，较窄的大约是0.021 μm。随着淬火温度的增加，马氏体的板条逐渐粗大。在1 070 ℃淬火温度时达到顶峰，1100 ℃淬火温度下马氏体的板条尺寸基本不变。 残余奥氏体则是在950 ℃最少， 在1 000 ℃时达到峰值。残余奥氏体会使得材料的屈服强度和抗拉强度有所下降[14-16]，但是对提升材料的韧性和塑性有着明显的作用[17]。
图1 06Cr16Ni5Mo 合金不同温度下淬火后的金相组织：(a)950 ℃;(b)1 000 ℃;(c)1 070 ℃;(d)1 100 ℃
Fig.1 OM images of the 06Cr16Ni5Mo alloy after quenching at different temperatures:(a)950 ℃;(b)1 000 ℃;(c)1 070 ℃;(d)1 100 ℃
图2 06Cr16Ni5Mo 合金不同温度下淬火后的扫描电镜图像：(a)950 ℃;(b)1 000 ℃;(c)1 070 ℃;(d)1 100 ℃
Fig.2 SEM images of the 06Cr16Ni5Mo alloy after quenching at different temperatures:(a)950 ℃;(b)1000℃;(c)1070℃;(d)1100℃
表3是06Cr16Ni5Mo合金在不同温度淬火后的力学性能， 图3是不同淬火温度下合金力学性能的变化趋势对比。 由表可知，在950～1 100 ℃淬火温度下，随着淬火温度的升高，拉伸强度先增加后降低，屈服强度先降低后升高， 塑性和韧性先降低后升高，硬度逐渐增加。 随着淬火温度的升高，抗拉强度先升高后降低， 在淬火温度为1 070 ℃时达到最大值1 090 MPa，之后逐渐降低，在1 100 ℃抗拉强度降至1 060 MPa。 屈服强度先降低后升高，在淬火温度为1 070 ℃时达到最小值595 MPa， 之后逐渐升高，1 100 ℃时达到最大值630 MPa。 伸长率则先降低后升高， 在淬火温度为1 000 ℃时达到最小值10%，之后逐渐升高，1 100 ℃时达到最大值13%。 面缩率先降低后升高，在淬火温度为1 070 ℃时达到最小值39%，之后逐渐升高，1 100 ℃时达到最大值58%。 冲击功则先降低后升高，在淬火温度为1 070 ℃时达到最小值68 J， 之后逐渐升高，1 100 ℃时达到最大值74 J；布氏硬度随着淬火温度的升高而升高，淬火温度为1 100 ℃时达到最大值321 HBW。
图3 不同淬火温度下06Cr16Ni5Mo 合金力学性能变化
Fig.3 Trends of the mechanical properties at different quenching temperatures
表3 06Cr16Ni5Mo合金相同浇注工艺下的力学性能
Tab.3 Mechanical properties of the 06Cr16Ni5Mo alloy after quenching via the same casting process
Pouring temperature and shell temperature/℃Heat treatmentTensile strength σb/MPa Yield strength σ0.2/MPa Elongation A/%Reduction of area Z/%Impact value AKV/JHBW 1 535/1 000950 ℃quenching1 050615125773304 1 535/1 0001 000 ℃quenching1 070595103969307 1 535/1 0001 070 ℃quenching1 090610124568313 1 535/1 0001 100 ℃quenching1 060630135874321
由此可得，在淬火温度为1 070 ℃时，合金的抗拉强度达到最大，塑韧性也较高，硬度值较大。 综合考虑试样的组织和力学性能的试验结果， 可得06Cr16Ni5Mo合金最佳的淬火温度为1 070 ℃，保温时间为40 min，空冷，此时合金的综合力学性能最佳。
2.2 回火温度对06Cr16Ni5Mo合金组织和力学性能的影响
根据2.1节研究结果，将06Cr16Ni5Mo合金试样均进行1 070 ℃/40 min的淬火处理， 然后进行不同温度的回火处理。 图4～5是06Cr16Ni5Mo合金经过1 070 ℃/40 min淬火， 然后分别进行550、580、650、700 ℃回火后的金相组织及扫描电镜图像。 试样在回火后的组织主要是回火马氏体+δ-铁素体+残余奥氏体。淬火马氏体随着回火过程的进行，最终会变成细小的回火马氏体[18]。 而当回火温度增加到700 ℃时，又出现新的淬火马氏体。 经过回火处理后，一部分马氏体会再次转化为奥氏体， 且在冷却过程中被保留在基体当中，随着回火温度的增加，试样中的奥氏体在短时间内大量增多，650 ℃时达到峰值。 随着回火温度的进一步增高， 逆变奥氏体的热稳定逐渐下降，易在冷却过程中转变为新的淬火马氏体，使材料强度有所提升[19-21]。
图4 06Cr16Ni5Mo 合金不同温度回火后的金相组织：(a)550 ℃;(b)580 ℃;(c)650 ℃;(d)700 ℃
Fig.4 OM images of the 06Cr16Ni5Mo alloy after tempering at different temperatures:(a)550 ℃;(b)580 ℃;(c)650 ℃;(d)700 ℃
图5 06Cr16Ni5Mo 合金不同温度回火后的扫描电镜图像：(a)550 ℃;(b)580 ℃;(c)650 ℃;(d)700 ℃
Fig.5 SEM images of the 06Cr16Ni5Mo alloy after tempering at different temperatures:(a)550 ℃;(b)580 ℃;(c)650 ℃;(d)700 ℃
图6 1 070 ℃淬火后不同回火温度处理的06Cr16Ni5Mo 合金力学性能变化
Fig.6 Trends of the mechanical properties of the 06Cr16Ni5Mo alloy with different tempering temperatures after quenching at 1 070 ℃
表4是06Cr16Ni5Mo合金在相同浇注工艺下淬火+回火后的力学性能，可知不同温度淬火+回火后的力学性能，随着回火温度的升高，强度和硬度先降低后升高，塑性先降低后升高再降低，韧性先升高后降低再升高。
表4 06Cr16Ni5Mo合金不同温度回火后的力学性能
Tab.4 Mechanical properties of the 06Cr16Ni5Mo alloy after tempering at different temperatures
Pouring temperature/shell temperature/℃Heat treatment(quenching+tempering)σb/MPaσ0.2/MPaA/%Z/%AKV/JHBW 1 535/1 0001 070 ℃/40 min/AC+550 ℃/40 min/AC1 00391817.567.581.3304 1 535/1 0001 070 ℃/40 min/AC+580 ℃/40 min/AC965848186490.5289 1 535/1 0001 070 ℃/40 min/AC+650 ℃/40 min/AC8706181670.582.5269 1 535/1 0001 070 ℃/40 min/AC+700 ℃/40 min/AC9307201370129.5290
具体来看，随着淬火温度的升高，抗拉强度先降低后升高， 回火温度为550℃时抗拉强度为1 003 MPa，650 ℃时抗拉强度达到最小值870 MPa，之后逐渐升高，在700 ℃时抗拉强度升至893 MPa；屈服强度先降低后升高， 回火温度为550 ℃时屈服强度为918 MPa，650 ℃时屈服强度达到最小值618 MPa，之后逐渐升高， 在700 ℃时屈服强度升至720 MPa；伸长率随着回火温度的升高逐渐降低， 回火温度为700 ℃时伸长率最小为13%，550和580 ℃时合金的伸长率基本相近约18%，650℃时合金的伸长率为16%；面缩率先降低再升高再降低， 回火温度为580 ℃时面缩率最小为64%， 650和700 ℃时合金的面缩率基本相近约70%；冲击功先升高后降低再升高，回火温度为550 ℃时冲击功最小为81.3 J，700 ℃时合金的冲击功达到最大为129.5 J； 布氏硬度则随着回火温度的升高先降低后升高， 回火温度为550 ℃时布氏硬度达到最大值304 HBW，650 ℃时布氏硬度达到最小值269 HBW，700 ℃时布氏硬度升高至290 HBW。
由此可得，回火温度在580～650 ℃时，合金的抗拉强度、塑性、韧性和硬度才能满足技术条件要求。综合以上分析可得，06Cr16Ni5Mo合金最佳的回火温度为580～650 ℃，保温时间为40 min，此时合金的综合力学性能最佳。
3 结论
(1)通过对06Cr16Ni5Mo合金不同淬火温度对合金组织和性能的影响规律研究可得， 淬火后的组织主要是板条状淬火马氏体。 随着淬火温度的升高，合金的淬火马氏体板条逐渐粗化。 在950～1 100 ℃温度范围内，随着淬火温度的升高，拉伸强度先增加后降低，而屈服强度先降低后升高，塑性和韧性先降低后升高，硬度逐渐增加。合金在淬火温度1 070 ℃，抗拉强度达到最大，塑韧性也较高，硬度值较大。
(2)通过对06Cr16Ni5Mo合金不同回火温度对合金组织和性能的影响规律研究可得， 回火后的组织主要是板条状回火马氏体。随着回火温度的升高，回火马氏体板条逐渐变细小之后开始粗化。 在回火温度550～700 ℃范围内，随着回火温度的升高，强度和硬度先降低后升高，塑性先降低后升高再降低，韧性先升高后降低再升高。 在回火温度为580～650 ℃范围合金综合力学性能最佳，且硬度能满足技术条件要求。
(3)对半机匣06Cr16Ni5Mo合金最佳的热处理制度为：淬火1 070 ℃/40 min，空冷，回火580～650 ℃/40 min，空冷。
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