杨红超1，淳道勇1，李昌2
1、海装广州局驻贵阳地区军事代表室， 2、贵州黎阳航空动力有限公司
摘 要：本文分析了1Cr11Ni2W2MoV钢中异金属夹杂物的性质，结合材料冶炼工艺过程的原始复查及分析研究，确定了产生异金属夹杂物的原因，提出了预防措施。
关键词：1Cr11Ni2W2MoV钢；异金属夹杂物；预防
一、概 述
1Cr11Ni2W2MoV钢是马氏体热强不锈钢，其室温拉伸强度、持久强度极限及蠕变极限均较高，并有良好的韧性和抗氧化性能，在淡水和湿空气中有较好的耐蚀性，该钢的工艺塑性和焊接性能良好，使于制造在550℃以下及高湿条件下工作的承力件。该钢采用电弧炉、电弧炉加电渣重溶、真空感应、真空自耗等工艺冶炼，工艺成熟，已在多种航空发动机上用于制造压气机盘、压气机叶片及涡轮轴等关键承力构件。
近期，某厂家生产的1Cr11Ni2W2MoV钢锻件在机加后表面腐蚀检查工序时，某炉批零件均发现一件表面有缺陷显示,缺陷位置见图1所示。
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图1 1Cr11Ni2W2MoV钢压气机盘缺陷位置
经查，两炉批零件所用的原材料均为同一厂家采用电弧炉加电渣重溶冶炼工艺生产的棒材，零件制造经过模锻成型、机械加工等冷、热加工工艺过程。两炉批零件在整个制造加工过程中，均经过棒材、锻坯和锻件的多各环节，进行了多次超声波无损检测，均没有检测出钢中存在的缺陷，都是在零件近终表面腐蚀检查工序时才被发现。
如果该缺陷在表面腐蚀检查时未暴露于零件表面，表面腐蚀检查不被检出，这将会使有缺陷的材料完成零件制造，并装配应用，给整机的安全可靠使用产生不可估量的危害。可见该缺陷的存在，对航空关键构件的制造具有十分恶劣的威胁。因此，准确定位1Cr11Ni2W2MoV钢棒材缺陷产生的原因，采取有效的预防措施，确保所用的原材料无缺陷，意义十分巨大。
二、缺陷性质分析
将两炉批的两个零件进行解剖，沿垂直于零件表面制备缺陷部位金相试样。试样腐蚀前，缺陷部位及对应的零件内部未见异常。试样腐蚀后，发现缺陷颜色与基体颜色有明显的差异，缺陷为条形状态，见图2所示。在显微镜下观察，发现缺陷与基体之间存在明显的过渡区，缺陷组织与基体组织差异较大，基体组织均为回火索氏体，见图3所示。
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进一步对试样基体、过渡区及缺陷分别进行能谱分析，分析位置见图4，分析结果见表1。
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从表1能谱分析结果可以看出，缺陷中的元素含量与基体元素含量均存在明显差异，缺陷中Fe元素含量较高而Cr元素含量较低。从缺陷到基体中心，Fe元素的含量呈下降趋势，Cr元素的含量呈上升趋势。缺陷与基体之间结合紧密，融为一体，并存在明显的过渡区，因此可以确定缺陷的产生应与材料熔炼过程有关。由金相检查及能谱分析结果，可以判定缺陷的性质为异金属夹杂物。再根据A缺陷区Fe元素含量高达97.72%和B缺陷区Fe元素含量高达94.6%，其它合金元素含量较低的特点，可以断定两炉批零件发现的夹杂物均应为低碳钢或低合金钢。
三、原始复查及确认
1Cr11Ni2W2MoV钢棒材生产工艺流程为电炉+LF炉+VOD/VHD精炼→浇注电极→电渣重溶→精锻成材→理化检验→包装入库。
经复查，电渣重熔冶炼过程，在冶炼特殊记事、设备巡检及交接班记录本中，发现有现场设备人员维修吊运电极的天车电路系统，更换天车电器元件后恢复正常冶炼的处理情况记录，和冶炼过程中电极卡头处水管渗水，当班人员现场使用铁丝将橡胶接头与水管进行紧固处理的情况记录，其余未见异常。
进一步详细调查上述处理情况发现，在天车电路维修中使用了金属垫片，和紧固水管时使用了铁丝。采用化学分析方法分析金属垫片和铁丝的化学成分，结果见表3。
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结合零件缺陷能谱分析看出，缺陷与金属垫片和铁丝十分吻合，因此，可以认为1Cr11Ni2W2MoV钢中的异金属夹杂物是在电渣重熔冶炼过程中，维修天车电路，和紧固水管时，所用的金属垫片和铁丝头掉入结晶器内而形成。
四、综合分析
1、异金属夹杂物产生过程分析
1Cr11Ni2W2MoV钢的冶炼工艺流程：电炉+炉外精炼（二炼）→电渣重熔（三炼）。
电渣重熔用电极棒采取电炉+炉外精炼+模铸的工艺生产。电渣重熔是将电极棒（固态）重新液化提纯的过程。根据钢中异金属夹杂物为铁含量很高的低碳钢或低合金钢这一事实，如果该夹杂物产生于电弧炉冶炼过程，即存在于电极棒中，那么，在电渣重熔冶炼过程中，由于夹杂物的溶化温度比基体溶化温度低，夹杂物会在高温下液化，并均匀的溶入新的钢液中，随新钢液凝固成电渣锭,不会在电渣锭中出现该异金属夹杂物。可见该异金属夹杂物产生于电渣重熔冶炼过程，与母炉冶炼的电极棒无关。
2、钢中外来物分析
通常金属冶炼过程对外来物的控制是十分严格的，但都主要集中在控制与产品直接相关联的操作人员、设备、材料、工艺和环境等方面的惯性非法，而对那些间接相关的辅助人员、设施不重视，也就没有预防措施，导致了钢中出现外来物的后果。
3、超声波无损检测异金属夹杂物分析
超声波检测材料内部缺陷是利用超声波进入金属材料内部，遇到缺陷发生反射的特点来检测零件内部缺陷的一种方法。要使材料内部缺陷能够用超声波无损检测方法检测出来，必须是缺陷的声学特性，即声阻抗，与基体材料不同。在两炉批零件整个制造加工过程中，经过棒材、锻坯和锻件的多各环节，进行多次超声波无损检测，均没有检测出钢中存在的异金属夹杂物缺陷，就是因为该缺陷的声阻抗与基体材料没有差异的结果。
五、结 论
（1）1Cr11Ni2W2MoV钢锻件表面腐蚀发现的缺陷为存在于钢内部的异金属夹杂物。
（2）1Cr11Ni2W2MoV钢中异金属夹杂物来源于该钢电渣冶炼过程，与该钢母炉冶炼的电极棒无关。
（3）1Cr11Ni2W2MoV钢中的异金属夹杂物是在电渣重熔冶炼过程中，维修天车电路，和紧固水管时，所用的金属垫片和铁丝头掉入结晶器内而形成。
六、预防措施
（1）在冶炼过程中，由于电炉上方处于开放状态，无论什么情况，都禁止在开放的电炉上空进行维修、维护操作，以防止异物掉入熔炼炉。
（2）如果在冶炼过程中电炉上方出现异常，一定要即时排除时，必须先覆盖电炉上方，避免操作中异物掉入熔炼炉。
（3）材料冶炼全过程涉及的所有人员、机器、材料、方法和环境等各个环节都是特殊过程，在在冶炼过程中应继续保持记录详细，以备复查和追溯。
（4）加强辅助人员相关管理制度、操作规程和技术培训，提高外来物的防范水平。