Cu強(qiáng)化Co-free二次硬化超高強(qiáng)度鋼及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于合金鋼技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種Cu強(qiáng)化Co-free二次硬化超高強(qiáng)度鋼 Air350及制備方法，綜合性能良好，具有較高抗拉強(qiáng)度和良好塑韌性，熱處理工藝性能優(yōu) 良，節(jié)約了戰(zhàn)略元素 Co，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航空和宇航工業(yè)的發(fā)展，特別是航空航天構(gòu)件采用耐久性/損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn) 則后，對(duì)材料提出了更高的要求，要求材料具有更高的強(qiáng)度、韌性及合理的屈服/強(qiáng)度比， 同時(shí)具備經(jīng)濟(jì)性，適合批量生產(chǎn)和應(yīng)用。新型飛機(jī)發(fā)展的需求，目前對(duì)可用于耐久性損傷 容限設(shè)計(jì)的2000MPa及以上級(jí)的超高強(qiáng)度鋼的需求日益迫切。最新的應(yīng)用成果是美國(guó)的 AerMetlOO鋼，一種采用二次硬化強(qiáng)化馬氏體型超高強(qiáng)度鋼，具有1930MPa以上的抗拉強(qiáng) 度和110MPam1/2的優(yōu)良的斷裂韌性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于先進(jìn)飛機(jī)的起落架等領(lǐng)域。近年美國(guó) Carpenter公司在AerMetlOO鋼的基礎(chǔ)上，又開(kāi)發(fā)出了抗拉強(qiáng)度達(dá)到2172MPa的AerMet310 鋼。AerMet310 的抗拉強(qiáng)度比 AerMetlOO 高出 200MPa，與 Marage300 鋼相比，AerMet310 的 屈強(qiáng)比較小，因而可在斷裂前吸收較多的塑變能量。而AerMet310的比強(qiáng)度（27. 9km)高于 AerMetlOO 和 Marage300,甚至高于 Ti_6Al_4V 欽合金（25. 4km)。2013 年美國(guó) Carpenter 公司公布了 M54鋼專(zhuān)利，主要思路是采用W、Mo復(fù)合析出強(qiáng)化、降低Co含量，其與AerMet系 列材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能對(duì)比見(jiàn)表1和表2。
[0003] 表1典型二次硬化型超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分（wt. % )
[00041
[0005] -表2典型二次硬化超高強(qiáng)度鋼的室溫力學(xué)性能 ' ' '
[0006]

[0007] 4:上述力學(xué)Y生能所對(duì)ii的熱處理ij度為~~' ' '
[0008] 4?1410:830°〇\111油淬+(-73°〇\111)空氣中升至室溫+510°〇\511空冷 ；
[0009] AerMetlOO :885°C X Ih 空冷 +(-73°C X Ih)空氣中升至室溫 +482°C X5h 空冷；
[0010] 46滷6七310:912°〇\111空冷+(-73°〇\111)空氣中升至室溫+482°〇\511空冷。
[0011] ]?54:1060°〇\111空冷+(-73°〇\111)空氣中升至室溫+515°〇\1011空冷
[0012] 雖然AerMet系列材料性能優(yōu)異，但由于大量采用鈷、鎳等貴重合金元素，存在經(jīng) 濟(jì)性差等問(wèn)題，M54雖然試圖解決AerMet系列材料的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，依靠較高的W、Mo復(fù)合添 加獲得相應(yīng)的析出驅(qū)動(dòng)力和強(qiáng)化效果降低Co含量，但依然含有多達(dá)7%的Co元素，特別對(duì) 于Co屬于戰(zhàn)略資源，價(jià)格極易受到國(guó)際形勢(shì)的沖擊。
[0013] 基于國(guó)際航空業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)型高韌性長(zhǎng)壽命高可靠性超高強(qiáng)度鋼的需求及商業(yè)化的 需要，目前迫切需要既解決AerMetlOO鋼的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題、在滿足2000MPa左右強(qiáng)度的同時(shí)具 有良好的強(qiáng)韌性配合、良好的熱處理工藝性和較好的經(jīng)濟(jì)性。
[0014] 綜上所述，目前迫切需要開(kāi)發(fā)一種Co-free高強(qiáng)韌性、熱處理工藝性能良好、具有 較好經(jīng)濟(jì)性的2000MPa左右的超高強(qiáng)度鋼，為航空航天的實(shí)際應(yīng)用提供支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明的目的在于提供一種Cu強(qiáng)化Co-free經(jīng)濟(jì)型二次硬化超高強(qiáng)度鋼及制備 方法，綜合性能良好，具有超高強(qiáng)度和良好塑韌性，熱處理工藝性能優(yōu)良，具有較高經(jīng)濟(jì)性， 滿足商業(yè)化需求。
[0016] 根據(jù)上述目的，本發(fā)明整體的技術(shù)方案為：
[0017] 這種鋼基于性能優(yōu)良的二次硬化型超高強(qiáng)度鋼，以AerMetlOO鋼和M54鋼為參照， 采用無(wú) Co元素的合金設(shè)計(jì)思想，同時(shí)提高鋼中C含量Mo含量，提高M(jìn)2C相驅(qū)動(dòng)力，特別是 添加 Cu元素和Al元素、形成富Cu相和NiAl金屬間化合物，通過(guò)M2C、富Cu相和NiAl相 復(fù)合析出獲得高強(qiáng)度。這種鋼具有超高強(qiáng)度、高塑韌性、高回火穩(wěn)定性的能力和抗過(guò)時(shí)效能 力，能夠提供2000MPa以上抗拉強(qiáng)度和良好塑韌性的綜合性能，回避了戰(zhàn)略Co資源，具有良 好的經(jīng)濟(jì)性。
[0018] 為達(dá)到上述目標(biāo)，在目前的二次硬化鋼的13%鈷（Co)ll%鎳（Ni)合金成份基礎(chǔ) 上，對(duì)比AerMet系列鋼和M54鋼，省略13 %鈷（Co)，添加2-4%的Cu、添加1-2%的Al，相 應(yīng)提高Ni含量，同時(shí)調(diào)整提高M(jìn)o和C含量，通過(guò)M2C、富Cu相和NiAl相復(fù)合析出獲得高強(qiáng) 度。具有良好的熱處理工藝性、經(jīng)濟(jì)性和優(yōu)異的強(qiáng)韌性配合。
[0019] 根據(jù)上述目的和整體的技術(shù)方案，本發(fā)明具體的技術(shù)方案為：
[0020] 該鋼的化學(xué)成分重量百分?jǐn)?shù)為：C 0· 20-0. 50%，Cr L 0-5. 0%，Ni 8. 00-30. 0%， Mo 1. 0-5. 0%，Cu 1. 0-5. 0%，A1 0-3. 0%，W 0-2%，V 彡 0· 30% ,Nb 彡 0· 20%，余量為 Fe 和不可避免的雜質(zhì)。
[0021] 達(dá)到本發(fā)明上述目的和優(yōu)點(diǎn)的鋼，采用一種高C高M(jìn)o含Cu含Al無(wú) Co經(jīng)濟(jì)型二 次硬化型馬氏體鋼，利用中碳的板條馬氏體基體上彌散析出的Mo2C、富Cu相和NiAl相復(fù)合 強(qiáng)化，高M(jìn)o添加 Cu、Al和無(wú) Co配合滿足時(shí)效動(dòng)力及良好的熱處理工藝性。
[0022] 上述各化學(xué)元素的配比依據(jù)如下：
[0023] C :產(chǎn)生間隙固溶強(qiáng)化，獲得板條馬氏體，形成碳化物并增加碳化物數(shù)量，減少碳 化物質(zhì)點(diǎn)間距，增加二次硬化峰值，獲得高屈服強(qiáng)度。研宄表明：C含量自0.09%增加到 0. 19%，F(xiàn)e-10Ni-2Cr-lM〇-8Co鋼的屈服強(qiáng)度和硬度不斷升高。C含量繼續(xù)升高到0. 45% 仍顯示出所有回火溫度下的硬度普遍升高。隨著C含量的增加，其抗拉強(qiáng)度提高，但合金 沖擊韌性降低。過(guò)高的C含量降低Ms點(diǎn)，增加殘余奧氏體和孿晶馬氏體，而孿晶馬氏體損 傷韌性，同時(shí)過(guò)高的C含量將會(huì)損傷焊接性能。因此，為保證有足夠的形成碳化物所需的 碳含量，同時(shí)形成低碳板條位錯(cuò)馬氏體基體，保證鋼具有滿意的的強(qiáng)度水平，C含量控制在 0. 20 ~0. 50%。
[0024] Cr :提高淬透性，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化；取代M2C中的Mo形成（Cr、Mo) 2C，促進(jìn)二次硬化反 應(yīng)，形成細(xì)小彌散沉淀。Cr含量的增加會(huì)加速M(fèi)o2C過(guò)時(shí)效，降低Mo 2C析出溫度和回溶溫度， 提高過(guò)時(shí)效的敏感性。隨著Cr含量的繼續(xù)增加，抗拉強(qiáng)度逐漸降低，但少于3% Cr時(shí)能提 高沖擊韌性的作用還與Mo含量有關(guān)。對(duì)0. 16C-10Ni-14C〇合金的研宄表明：Cr取代Mo2C 中的部分Mo,由于減少了 Mo2C中的Mo含量，導(dǎo)致Mo2C共格應(yīng)變降低，因而抗拉強(qiáng)度、屈服 強(qiáng)度降低。因此，根據(jù)合金中的C含量，Cr含量應(yīng)控制在不大于5. 0%，在中高C含量條件 下，Cr含量應(yīng)相應(yīng)降低，控制在1.0-5. 0%。
[0025] Mo :是主要的強(qiáng)化元素，Mo2C碳化物和Fe2Mo金屬間化合物的主要形成元素，強(qiáng)烈 的產(chǎn)生二次硬化反應(yīng)，是形成二次硬化峰的原因。隨著Mo含量的增加，二次硬化峰值硬度 提高，屈服強(qiáng)度提高。同時(shí)Mo還有增加淬透性，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，抑制回火脆性的作用。Mo與 Cr的適當(dāng)配合，可以使合金得到良好的韌性。為獲得足夠的二次硬化效果，本發(fā)明鋼中的 Mo含量不應(yīng)少于1. 0%。根據(jù)強(qiáng)度的需要和合金中C的含量控制，本發(fā)明鋼中Mo含量控制 在 1. 0-5. 0% 〇
[0026] Ni :提高淬透性，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，高Ni含量保證馬氏體基體具有高的本征抗解理 斷裂能力，提高鋼的強(qiáng)韌性以及耐應(yīng)力腐蝕性，Ni還可以促進(jìn)Fe 3C回溶，從而為M2C的形成 提供足夠的碳含量，因而Fe-C-Mo-Cr-Ni系二次硬化型超高強(qiáng)度鋼中添加 Ni含量在10%或 更高。同時(shí)Ni和Al形成金屬間化合物NiAl產(chǎn)生復(fù)合強(qiáng)化效果，而高Ni含量和細(xì)小彌散 分布的碳化物和金屬間化合物沉淀也正是這類(lèi)鋼具有高強(qiáng)度、高韌性的基本原因。因此，合 金中控制Ni含量不小于8. 0%，最好控制在8. 0-30. 0%。
[0027] Cu :Cu是本發(fā)明中主要的強(qiáng)化元素，依靠在時(shí)效處理中析出的富Cu相進(jìn)行復(fù)核析 出強(qiáng)化，因此Cu加入不少于1 %，過(guò)低的Cu含量不滿足對(duì)強(qiáng)度的需要；但Cu的加入會(huì)降低 塑韌性和影響鍛造工藝性能，需要相應(yīng)匹配含量的Ni保證上述性能，同時(shí)過(guò)高的Cu含量會(huì) 帶來(lái)長(zhǎng)期使用中C