Cu强化Co-free二次硬化超高强度钢及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于合金钢技术领域，特别涉及一种Cu强化Co-free二次硬化超高强度钢 Air350及制备方法，综合性能良好，具有较高抗拉强度和良好塑韧性，热处理工艺性能优 良，节约了战略元素 Co，经济性强。
【背景技术】
[0002] 随着航空和宇航工业的发展，特别是航空航天构件采用耐久性/损伤容限设计准 则后，对材料提出了更高的要求，要求材料具有更高的强度、韧性及合理的屈服/强度比， 同时具备经济性，适合批量生产和应用。新型飞机发展的需求，目前对可用于耐久性损伤 容限设计的2000MPa及以上级的超高强度钢的需求日益迫切。最新的应用成果是美国的 AerMetlOO钢，一种采用二次硬化强化马氏体型超高强度钢，具有1930MPa以上的抗拉强 度和110MPam1/2的优良的断裂韧性，已经广泛应用于先进飞机的起落架等领域。近年美国 Carpenter公司在AerMetlOO钢的基础上，又开发出了抗拉强度达到2172MPa的AerMet310 钢。AerMet310 的抗拉强度比 AerMetlOO 高出 200MPa，与 Marage300 钢相比，AerMet310 的 屈强比较小，因而可在断裂前吸收较多的塑变能量。而AerMet310的比强度（27. 9km)高于 AerMetlOO 和 Marage300,甚至高于 Ti_6Al_4V 钦合金（25. 4km)。2013 年美国 Carpenter 公司公布了 M54钢专利，主要思路是采用W、Mo复合析出强化、降低Co含量，其与AerMet系 列材料的化学成分和力学性能对比见表1和表2。
[0003] 表1典型二次硬化型超高强度钢的化学成分（wt. % )
[00041
[0005] -表2典型二次硬化超高强度钢的室温力学性能 ' ' '
[0006]
[0007] 4:上述力学Y生能所对ii的热处理ij度为~~' ' '
[0008] 4?1410:830°〇\111油淬+(-73°〇\111)空气中升至室温+510°〇\511空冷 ；
[0009] AerMetlOO :885°C X Ih 空冷 +(-73°C X Ih)空气中升至室温 +482°C X5h 空冷；
[0010] 46滷6七310:912°〇\111空冷+(-73°〇\111)空气中升至室温+482°〇\511空冷。
[0011] ]?54:1060°〇\111空冷+(-73°〇\111)空气中升至室温+515°〇\1011空冷
[0012] 虽然AerMet系列材料性能优异，但由于大量采用钴、镍等贵重合金元素，存在经 济性差等问题，M54虽然试图解决AerMet系列材料的经济性问题，依靠较高的W、Mo复合添 加获得相应的析出驱动力和强化效果降低Co含量，但依然含有多达7%的Co元素，特别对 于Co属于战略资源，价格极易受到国际形势的冲击。
[0013] 基于国际航空业对经济型高韧性长寿命高可靠性超高强度钢的需求及商业化的 需要，目前迫切需要既解决AerMetlOO钢的经济性问题、在满足2000MPa左右强度的同时具 有良好的强韧性配合、良好的热处理工艺性和较好的经济性。
[0014] 综上所述，目前迫切需要开发一种Co-free高强韧性、热处理工艺性能良好、具有 较好经济性的2000MPa左右的超高强度钢，为航空航天的实际应用提供支持。
【发明内容】
[0015] 本发明的目的在于提供一种Cu强化Co-free经济型二次硬化超高强度钢及制备 方法，综合性能良好，具有超高强度和良好塑韧性，热处理工艺性能优良，具有较高经济性， 满足商业化需求。
[0016] 根据上述目的，本发明整体的技术方案为：
[0017] 这种钢基于性能优良的二次硬化型超高强度钢，以AerMetlOO钢和M54钢为参照， 采用无 Co元素的合金设计思想，同时提高钢中C含量Mo含量，提高M2C相驱动力，特别是 添加 Cu元素和Al元素、形成富Cu相和NiAl金属间化合物，通过M2C、富Cu相和NiAl相 复合析出获得高强度。这种钢具有超高强度、高塑韧性、高回火稳定性的能力和抗过时效能 力，能够提供2000MPa以上抗拉强度和良好塑韧性的综合性能，回避了战略Co资源，具有良 好的经济性。
[0018] 为达到上述目标，在目前的二次硬化钢的13%钴（Co)ll%镍（Ni)合金成份基础 上，对比AerMet系列钢和M54钢，省略13 %钴（Co)，添加2-4%的Cu、添加1-2%的Al，相 应提高Ni含量，同时调整提高Mo和C含量，通过M2C、富Cu相和NiAl相复合析出获得高强 度。具有良好的热处理工艺性、经济性和优异的强韧性配合。
[0019] 根据上述目的和整体的技术方案，本发明具体的技术方案为：
[0020] 该钢的化学成分重量百分数为：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%，余量为 Fe 和不可避免的杂质。
[0021] 达到本发明上述目的和优点的钢，采用一种高C高Mo含Cu含Al无 Co经济型二 次硬化型马氏体钢，利用中碳的板条马氏体基体上弥散析出的Mo2C、富Cu相和NiAl相复合 强化，高Mo添加 Cu、Al和无 Co配合满足时效动力及良好的热处理工艺性。
[0022] 上述各化学元素的配比依据如下：
[0023] C :产生间隙固溶强化，获得板条马氏体，形成碳化物并增加碳化物数量，减少碳 化物质点间距，增加二次硬化峰值，获得高屈服强度。研宄表明：C含量自0.09%增加到 0. 19%，Fe-10Ni-2Cr-lM〇-8Co钢的屈服强度和硬度不断升高。C含量继续升高到0. 45% 仍显示出所有回火温度下的硬度普遍升高。随着C含量的增加，其抗拉强度提高，但合金 冲击韧性降低。过高的C含量降低Ms点，增加残余奥氏体和孪晶马氏体，而孪晶马氏体损 伤韧性，同时过高的C含量将会损伤焊接性能。因此，为保证有足够的形成碳化物所需的 碳含量，同时形成低碳板条位错马氏体基体，保证钢具有满意的的强度水平，C含量控制在 0. 20 ~0. 50%。
[0024] Cr :提高淬透性，产生固溶强化；取代M2C中的Mo形成（Cr、Mo) 2C，促进二次硬化反 应，形成细小弥散沉淀。Cr含量的增加会加速Mo2C过时效，降低Mo 2C析出温度和回溶温度， 提高过时效的敏感性。随着Cr含量的继续增加，抗拉强度逐渐降低，但少于3% Cr时能提 高冲击韧性的作用还与Mo含量有关。对0. 16C-10Ni-14C〇合金的研宄表明：Cr取代Mo2C 中的部分Mo,由于减少了 Mo2C中的Mo含量，导致Mo2C共格应变降低，因而抗拉强度、屈服 强度降低。因此，根据合金中的C含量，Cr含量应控制在不大于5. 0%，在中高C含量条件 下，Cr含量应相应降低，控制在1.0-5. 0%。
[0025] Mo :是主要的强化元素，Mo2C碳化物和Fe2Mo金属间化合物的主要形成元素，强烈 的产生二次硬化反应，是形成二次硬化峰的原因。随着Mo含量的增加，二次硬化峰值硬度 提高，屈服强度提高。同时Mo还有增加淬透性，产生固溶强化，抑制回火脆性的作用。Mo与 Cr的适当配合，可以使合金得到良好的韧性。为获得足够的二次硬化效果，本发明钢中的 Mo含量不应少于1. 0%。根据强度的需要和合金中C的含量控制，本发明钢中Mo含量控制 在 1. 0-5. 0% 〇
[0026] Ni :提高淬透性，产生固溶强化，高Ni含量保证马氏体基体具有高的本征抗解理 断裂能力，提高钢的强韧性以及耐应力腐蚀性，Ni还可以促进Fe 3C回溶，从而为M2C的形成 提供足够的碳含量，因而Fe-C-Mo-Cr-Ni系二次硬化型超高强度钢中添加 Ni含量在10%或 更高。同时Ni和Al形成金属间化合物NiAl产生复合强化效果，而高Ni含量和细小弥散 分布的碳化物和金属间化合物沉淀也正是这类钢具有高强度、高韧性的基本原因。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是本发明中主要的强化元素，依靠在时效处理中析出的富Cu相进行复核析 出强化，因此Cu加入不少于1 %，过低的Cu含量不满足对强度的需要；但Cu的加入会降低 塑韧性和影响锻造工艺性能，需要相应匹配含量的Ni保证上述性能，同时过高的Cu含量会 带来长期使用中C