一种不锈钢整体叶盘热处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属材料热处理技术领域，特别涉及一种13Crl5Ni4Mo3N不锈钢材料制成的整体叶盘的热处理方法。
【背景技术】
[0002]现代高性能发动机(特别是航空发动机)的压气机部件对选用的材料强度、硬度和塑性提出了更高的要求，目前在发动机制造过程中，通常对叶片盘零件采用不锈钢锻造加工来整体成型，同时采用多级热处理的方法提高合金强度，这样来提高该整体叶盘零件的综合性能。
[0003]目前的压气机叶片盘零件一般选用钛合金或不锈钢制造，其强度均在IlOOMPa以下，为了提升叶盘的强度，需要选用更高强度的合金钢。新一代高强度钢13Crl5Ni4Mo3N，属于马氏体沉淀硬化不锈钢，理论上抗拉强度可达到1200MPa以上，硬度达到HRC 37以上，并且具有良好的耐腐蚀性，能够很好地满足发动机压气机叶盘的使用要求。
[0004]现有的对不锈钢材料的热处理方法可参见中国专利CN103436672A、CN104372140A、CN103555895A等文献记载，但这些现有的热处理方法难以使13Crl5Ni4Mo3N不锈钢材料达到1200MPa以上的抗拉强度指标，且对于整体叶盘这样的零件，现有的热处理方法会使产品频繁出现淬火裂纹，从而导致整体叶盘零件报废或降级，目前在使用13Crl5Ni4Mo3N不锈钢材料制造叶盘零件的过程中，还没有有效解决方法。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种不锈钢整体叶盘热处理方法，以减少或避免前面所提到的问题。
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供了一种不锈钢整体叶盘热处理方法，其用于对由13Crl5Ni4Mo3N不锈钢材料制成的整体叶盘零件进行热处理，其包括如下步骤:
[0007]步骤A，预备热处理:一级退火，将所述整体叶盘装入到空气炉中，加热到880?900°C，保温8?10小时后出炉空冷。二级退火，将所述整体叶盘装入到空气炉中，加热到650°C?670°C，保温5?6小时后出炉空冷。三级退火，将所述整体叶盘装入到空气炉中，加热到770°C?690°C，保温10?12小时后出炉空冷；四级退火，将所述整体叶盘装入到空气炉中，加热到570°C?600°C，保温8?10小时后出炉空冷。
[0008]步骤B:—次淬火:将所述整体叶盘装入到空气炉中，加热到1030°C?1050°C，保温3?4小时后出炉进行水冷。水冷过程中所述整体叶盘在水槽中上下摇动不小于5min，并在水中浸泡I小时以上。
[0009]步骤C:一次冷处理:将所述整体叶盘装入冷处理设备，降温至-75 V?_73°C，保温6?6.5小时，出炉空冷4小时以上。
[0010]步骤D:二次淬火:将所述整体叶盘装入到空气炉中，加热到940°C?960°C，保温2?3小时后出炉行水冷。水冷过程中所述整体叶盘在水槽中上下摇动不小于5min，并在水中浸泡I小时以上。
[0011]步骤E:二次冷处理:将所述整体叶盘装入冷处理设备，降温至-75°c?-73°c，保温6?6.5小时，出炉空冷4小时以上。
[0012]步骤F:低温回火:将叶片盘加热到530°C?550°C，保温5?6小时后出炉空冷。
[0013]优选地，在步骤B和步骤D中，所述整体叶盘在水槽中上下垂直移动行程不小于所述整体叶盘的厚度的2倍，且上下垂直移动所述整体叶盘的频率在20次/分钟-40次/分钟。
[0014]本发明所提供的一种不锈钢整体叶盘热处理方法，其制备的叶盘零件在室温可达到1200MPa以上的抗拉强度指标，且HRC硬度值分布均匀，无淬火裂纹、无室温脆性，耐蚀性好。
【具体实施方式】
[0015]为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明发明的【具体实施方式】。
[0016]本发明提供了一种不锈钢整体叶盘热处理方法，其用于对由13Crl5Ni4Mo3N不锈钢材料制成的整体叶盘零件进行热处理，其包括如下步骤:
[0017]步骤A，预备热处理:一级退火，将所述整体叶盘装入到空气炉中，加热到880?900°C，保温8?10小时后出炉空冷。二级退火，将所述整体叶盘装入到空气炉中，加热到650°C?670°C，保温5?6小时后出炉空冷。三级退火，将所述整体叶盘装入到空气炉中，加热到770°C?690°C，保温10?12小时后出炉空冷；四级退火，将所述整体叶盘装入到空气炉中，加热到570°C?600°C，保温8?10小时后出炉空冷。
[0018]在预备热处理过程中，采用四级退火，可不断调整奥氏体、珠光体含量，也就能够完全消除毛坯锻造加工产生的残余应力，并将合金内部组织调整均匀，为后续淬火提供组织保证。
[0019]步骤B:—次淬火:将所述整体叶盘装入到空气炉中，加热到1030°C?1050°C，保温3?4小时后出炉进行水冷。水冷过程中所述整体叶盘在水槽中上下摇动不小于5min，并在水中浸泡I小时以上。
[0020]采用本发明提供的水淬方法，可使所述整体叶盘在加热过程中形成的均匀奥氏体组织以较快的冷却速度进行冷却，也就可获得尽可能多的室温马氏体组织，保证合金高强度性能。发明人通过实践发现，淬火时在水槽中上下垂直方向摇动所述整体叶盘，可有效提高淬透性，也就能够使合金内部和表层获得均匀分布的组织形态。
[0021]特别的，当所述整体叶盘在水槽中上下垂直移动行程不小于所述整体叶盘的厚度的2倍，且上下垂直移动所述整体叶盘的频率在20次/分钟-40次/分钟时，效果最好。
[0022]步骤C:一次冷处理:将所述整体叶盘装入冷处理设备，降温至-75 V?_73°C，保温6?6.5小时，出炉空冷4小时以上。
[0023]步骤D:二次淬火:将所述整体叶盘装入到空气炉中，加热到940°C?960°C，保温2?3小时后出炉行水冷。水冷过程中所述整体叶盘在水槽中上下摇动不小于5min，并在水中浸泡I小时以上。
[0024]二次淬火可调整合金元素在奥氏体中的溶解量，控制奥氏体晶粒，从而可进一步调整室温下形成的马氏体、残余奥氏体含量。
[0025]采用本发明提供的水淬方法，可使所述整体叶盘在加热过程中形成的均匀奥氏体组织以较快的冷却速度进行冷却，也就可获得尽可能多的室温马氏体组织，保证合金高强度性能。发明人通过实践发现，淬火时在水槽中上下垂直方向摇动所述整体叶盘，可有效提高淬透性，也就能够使合金内部和表层获得均匀分布的组织形态。
[0026]特别的，当所述整体叶盘在水槽中上下垂直移动行程不小于所述整体叶盘的厚度的2倍，且上下垂直移动所述整体叶盘的频率在20次/分钟-40次/分钟时，效果最好。
[0027]步骤E:二次冷处理:将所述整体叶盘装入冷处理设备，降温至-75 V?_73°C，保温6?6.5小时，出炉空冷4小时以上。
[0028]通过二次冷处理，可进一步促进合金中残余奥氏体转变为马氏体，增加马氏体含量，提高合金强度。
[0029]步骤F:低温回火:将所述整体叶盘加热到530°C?550°C，保温5?6小时后出炉空冷。
[0030]通过实践发现，通过低温回火过程，可析出一定强化相，消除组织转变产生的较大组织应力与淬火应力，同时获得回火马氏体，使合金内部的组织状态与应力状态分布均匀，从而使叶盘获得较高的抗拉强度、塑韧性，提高抗疲劳能力、耐蚀性和硬度分布均匀性，进一步提尚叶片盘的使用寿命。
[0031]发明人通过实践发现，经由上述热处理方法制备的叶盘零件在室温可达到1200MPa以上的抗拉强度指标，且HRC硬度值分布均匀，无淬火裂纹、无室温脆性，耐蚀性好。特别的，在步骤B及步骤D所提及的淬火处理工艺中，现有技术通常采用油冷的方式进行淬火处理，但发明人发现，对于13Crl5Ni4Mo3N不锈钢材料，油冷的效果并不理想且不稳定，水冷效果比较稳定，而且在水冷过程中，如在水槽中不在上下垂直方向摇动所述整体叶盘，则最终完成热处理的所述叶盘零件还是会出现周向淬火裂纹或者最终抗拉强度指标达不到1200MPa。因此，在步骤B及步骤D中的水冷过程也是本发明与现有技术最大的区别之一。除此之外，本发明的四级退火预处理、连续的两次淬火及冷处理、最终的低温回火这一系列的处理步骤以及相应的参数均是多次实践尝试才摸索出的结果，这也与现有技术有着显著不同，是难以从现有技术直接推断获得的。
[0032]在一个优选实施例中，本发明所提供的一种不锈钢整体叶盘热处理方法，其包括如下步骤:
[0033]步骤A:预备热处理:一级退火，将所述整体叶盘装入到空气炉中，加热到890°C，保温9小时后出炉空冷。二级退火，将所述整体叶盘装入到空气炉中，加热到660°C，保温5小时后出炉空冷。三级退火，将所述整体叶盘装入到空气炉中，加热到780°C，保温11小时后出炉空冷；四级退火，将所述整体叶盘装入到空气炉中，加热到580°C，保温9小时后出炉空冷。
[0034]步骤B:—次淬火:将所述整体叶盘装入到空气炉中，加热到1040°C，保温4小时后出炉进行水冷。所述整体叶盘在水槽中上下摇动5min，并在水中浸泡1.5小时。
[0035]所述整体叶盘在水槽中上下垂直移动行程2倍于所述整