本技術(shù)涉及合金鋼材，具體涉及一種超高強(qiáng)度鋼及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、航空發(fā)動機(jī)動力軸材料是決定發(fā)動機(jī)性能的關(guān)鍵部件，發(fā)動機(jī)工作時(shí)，傳動軸件承受巨大的扭矩載荷，靠近燃燒室的部分還承受一定的溫度負(fù)荷，承受高氣動、高質(zhì)量和高溫度負(fù)荷，同時(shí)會容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，出現(xiàn)較高的局部應(yīng)力；如果材料強(qiáng)度不足或抗疲勞性能差，使用過程中會產(chǎn)生疲勞裂紋甚至斷裂，后果十分嚴(yán)重。因此，高性能材料是保障零件具備高綜合性能的根本。

2、近年來，隨著發(fā)動機(jī)動力軸材料的發(fā)展、以及發(fā)動機(jī)傳動軸件更高強(qiáng)度的使用需求，某公司開發(fā)了一款以ge1014為代表的二次硬化超高強(qiáng)度鋼，其強(qiáng)度能夠達(dá)到1950mpa，并已經(jīng)成功應(yīng)用于ge90、genx發(fā)動機(jī)低壓渦輪軸。然而，隨發(fā)動機(jī)發(fā)展的需要，2200mpa以上的超高強(qiáng)度和比強(qiáng)度發(fā)動機(jī)動力軸材料的需求日益迫切；但研究表明，在進(jìn)一步提高鋼材強(qiáng)度同時(shí)，鋼材的韌性會明顯降低，即鋼材無法同時(shí)滿足強(qiáng)度和韌性的需要。

3、因此，需要開發(fā)一種強(qiáng)度在2200mpa以上，同時(shí)兼具優(yōu)良韌性、高彈性模量和良好中溫強(qiáng)度的超高強(qiáng)度鋼，來滿足新一代發(fā)動機(jī)動力軸的工程化應(yīng)用需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有發(fā)動機(jī)動力軸材料強(qiáng)度和韌性無法兼具的問題，本技術(shù)提供一種超高強(qiáng)度鋼及其制備方法與應(yīng)用。

2、第一方面，本技術(shù)提供一種超高強(qiáng)度鋼，采用如下的技術(shù)方案：

3、一種超高強(qiáng)度鋼，以重量含量計(jì)，包括以下化學(xué)成分：c?0.15~0.30%，cr?1.5~3.5%，ni?11.0~13.0%，co?7.1~7.9%，mo?1.8~2.5%，al?0.8~1.3%，nb?0.01-0.10%，余量為fe。

4、本技術(shù)采用c粒、金屬fe、金屬cr、金屬ni、金屬co、金屬mo、金屬al、金屬nb等制備出一種超高強(qiáng)度鋼，并通過調(diào)整各金屬的用量關(guān)系至上述范圍內(nèi)，是獲得的超高強(qiáng)度鋼具備優(yōu)異的強(qiáng)度與韌性，能夠滿足新一代發(fā)動機(jī)對高強(qiáng)韌動力軸材料的使用需求。

5、本技術(shù)提供的超高強(qiáng)度鋼中，fe能與ni、co、cr、c等元素共同形成馬氏體基體，是主要的基體元素。c和fe形成馬氏體基體，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化；c與mo形成m2c型碳化物；c與nb形成mc型合金碳化物；上述碳化物的析出強(qiáng)化能夠進(jìn)一步增加固溶的強(qiáng)化效果，進(jìn)而使鋼獲得更高強(qiáng)度。cr能產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，具有提升鋼淬透性的作用，并且cr在回火時(shí)還能與mo生成(mo、cr)2c型合金碳化物，形成細(xì)小彌散沉淀，進(jìn)而通過析出強(qiáng)化提高超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度。ni能產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，提高超高強(qiáng)度鋼的淬透性，保持高位錯(cuò)板條馬氏體，特別是ni能夠提高馬氏體基體的抗解理斷裂能力，形成逆轉(zhuǎn)變奧氏體，從而保證鋼有足夠的韌性。特別是ni與al能夠形成納米級nial金屬間化合物，形成強(qiáng)烈的二次硬化效果，nial金屬間化合物與m2c碳化物的共同強(qiáng)化是獲得超高強(qiáng)度的主要強(qiáng)化方式。co可以提高鋼的韌性，又能促進(jìn)析出強(qiáng)化反應(yīng)；另外，co還可以抑制延緩馬氏體位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)恢復(fù)，保持馬氏體板條的高位錯(cuò)密度，為隨后析出相的析出提供更多的形核位置；同時(shí)，co能降低mo、al等在馬氏體中的固溶度，增加析出相的形核率，可以促進(jìn)形成細(xì)小彌散分布的析出相。mo能與c形成m2c碳化物，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的析出強(qiáng)化，是形成高強(qiáng)度的主要原因；另外，mo還有增加淬透性，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，提高鋼的回火抗力以及抑制回火脆性的作用。al與ni形成納米級nial析出相，是獲得超高強(qiáng)度的重要因素之一，同時(shí)al還可以提高ms點(diǎn)平衡馬氏體板條組織。nb對提高超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度和塑韌性至關(guān)重要，nb能與c析出nbc碳化物，在提高合金的強(qiáng)度同時(shí)由于nbc相具有較高的析出溫度，使得合金在高溫鍛造條件下，能夠釘扎晶界細(xì)化晶粒，同時(shí)提高強(qiáng)度和塑韌性。綜上，本技術(shù)通過多錯(cuò)配度調(diào)控m2c合金碳化物和nial金屬間化合物的析出強(qiáng)化、8%逆轉(zhuǎn)變奧氏體韌化，從而制備出一種強(qiáng)度與韌性優(yōu)良的超高強(qiáng)度鋼。

6、本技術(shù)中，當(dāng)c含量偏低時(shí)，超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度較差，當(dāng)c含量偏高時(shí)，超高強(qiáng)度鋼的韌性較差；當(dāng)cr含量偏低時(shí)或偏高時(shí)，超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度較差；當(dāng)ni含量偏低時(shí)，超高強(qiáng)度鋼的韌性較差，當(dāng)ni含量偏高時(shí)，超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度較差；當(dāng)mo含量偏低時(shí)，超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度較差，當(dāng)mo含量偏高時(shí)，會造成固溶溫度提高、m6c碳化物難以溶解，進(jìn)而導(dǎo)致晶粒度粗化、塑韌性降低；當(dāng)nb含量偏高時(shí)，會粗化mc碳化物，弱化晶界釘扎作用降低塑韌性；當(dāng)co/ni＜0.5時(shí)，會顯著降低上述效應(yīng)導(dǎo)致析出強(qiáng)化不足，co/ni＞0.75時(shí)，會提高屈強(qiáng)比，降低韌性；當(dāng)al含量偏低時(shí)無法滿足強(qiáng)度的需要，而al含量偏高或者ni-2.2al＜10時(shí)，嚴(yán)重降低塑韌性。因此，本技術(shù)嚴(yán)格將各金屬的用量控制在上述范圍內(nèi)，從而能夠獲得抗拉強(qiáng)度≥2200mpa、沖擊功≥60j的強(qiáng)度與韌性兼具的超高強(qiáng)度鋼。

7、可選地，所述超高強(qiáng)度鋼的抗拉強(qiáng)度≥2200mpa，沖擊功≥60j。

8、可選地，所述超高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度≥1800mpa，彈性模量e≥190gpa，400℃抗拉強(qiáng)度≥1700mpa。

9、第二方面，本技術(shù)提供一種超高強(qiáng)度鋼的制備方法。

10、一種超高強(qiáng)度鋼的制備方法，包括以下步驟：真空感應(yīng)熔煉、真空自耗重熔、鍛造、熱處理；所述鍛造的開鍛溫度為1160~1200℃，終鍛溫度為800~900℃。

11、本技術(shù)提供一種超高強(qiáng)度鋼的制備方法，上述制備方法首先通過真空感應(yīng)熔煉得到合金液，并澆筑獲得電極；然后通過真空自耗重熔提高熔料組分的均勻性，得到組織均勻的鋼錠；接著經(jīng)過鍛造獲得棒材；最后經(jīng)過三段式熱處理工藝對棒材進(jìn)行熱處理，從而獲得一種組織均勻性好、強(qiáng)度與韌性俱佳的超高強(qiáng)度鋼。

12、本技術(shù)中，“固溶處理”是指將鍛造后的棒材升溫至固溶處理的溫度后，進(jìn)行保溫，然后再將樣品進(jìn)行冷卻的過程，固溶處理的冷卻優(yōu)選采用油淬?！吧罾涮幚怼笔侵笇⒐倘芴幚砗蟮陌舨慕档椭恋蜏貭顟B(tài)后，進(jìn)行保溫，然后升溫至室溫的過程，深冷處理的溫度可以通過干冰+酒精的混合液冷卻達(dá)到。“時(shí)效處理”是指將深冷處理后的棒材升溫至?xí)r效處理的溫度后，然后進(jìn)行保溫，再冷卻至室溫的過程，時(shí)效處理的冷卻優(yōu)選采用空冷。本技術(shù)通過采用上述固溶處理、深冷處理和時(shí)效處理的三段式熱處理工藝，能夠獲得高韌性的馬氏體基體組織、高密度的析出相和所需要的適量逆轉(zhuǎn)變奧氏體，進(jìn)而獲得具有良好強(qiáng)韌性的新型動力軸超高強(qiáng)度鋼。

13、可選地，所述熱處理包括固溶處理、深冷處理和時(shí)效處理；

14、所述固溶處理溫度為950~1000℃，時(shí)間為1~2h；

15、所述深冷處理溫度為-73~-100℃，時(shí)間為1~10h；

16、所述時(shí)效處理溫度為500~540℃，時(shí)間為3~10h。

17、可選地，所述真空感應(yīng)熔煉的溫度為1550~1600℃，時(shí)間為30~180min，真空度≤4pa。

18、可選地，所述真空自耗重熔的真空度為0.01-2pa，熔化速度為4-6kg/min，電壓21-23v，電流11000-13000a。

19、第三方面，本技術(shù)提供一種超高強(qiáng)度鋼作為發(fā)動機(jī)動力軸材料的應(yīng)用。

20、綜上所述，本技術(shù)具有以下有益效果：

21、1.?本技術(shù)通過采用以下含量的化學(xué)成分：c?0.15~0.30%，cr?1.5~3.5%，ni?11.0~13.0%，co?7.1~7.9%，mo?1.8~2.5%，al?0.8~1.3%，nb?0.01-0.10%，余量為fe；并將ni、co、al的用量關(guān)系控制為：0.5≤co/ni≤0.75，且10≤（ni-2.2al）≤11，從而制備出了一種強(qiáng)度與韌性俱佳的超高強(qiáng)度鋼，該超高強(qiáng)度鋼能夠滿足新一代發(fā)動機(jī)對高強(qiáng)韌動力軸材料的使用需求。

22、2.?本技術(shù)提供的超高強(qiáng)度鋼的抗拉強(qiáng)度≥2200mpa，沖擊功≥60j，屈服強(qiáng)度≥1800mpa，彈性模量e≥190gpa，400℃抗拉強(qiáng)度≥1700mpa。