Inconel 718十二角頭螺栓制造工藝技術(shù)研究

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 王玉鳳 劉風(fēng)雷 莊寶潼

高溫合金是航空、航天和核工業(yè)中重要的結(jié)構(gòu)材料，因其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，被廣泛用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)的各類(lèi)部件[1]。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，高溫合金得到了迅速發(fā)展。鎳基高溫合金Inconel 718是一種鎳鐵基變形高溫合金，具有很高的強(qiáng)度、韌性、耐疲勞性能及良好的綜合性能，尤其是在650℃以下，其力學(xué)性能具有很好的穩(wěn)定性[2-3]。Inconel 718合金是目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最為廣泛的高溫合金，主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件、機(jī)匣、緊固件和其他零件。Inconel 718十二角頭螺栓是發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用較為普遍的緊固件，也是高溫高強(qiáng)緊固件的代表性產(chǎn)品。

國(guó)外對(duì)航空、航天領(lǐng)域有關(guān)的高溫合金材料，尤其是Inconel 718合金的工藝和應(yīng)用進(jìn)行了嚴(yán)格的保密，因此其材料特性和制造工藝需要自行研究。強(qiáng)度等級(jí)為1515 MPa的Inconel 718合金在原材料制備時(shí)經(jīng)過(guò)特殊處理，加工難度最大。Inconel 718合金的合金化程度較高，導(dǎo)致其熱加工性能惡化，熱變形區(qū)域縮小，因此加大了熱成形難度。同時(shí)，由于材料的強(qiáng)度高、塑性低，熱處理后Inconel 718材料抗拉強(qiáng)度可達(dá)1515MPa以上，硬度為HRC43～48，使得后續(xù)的制造加工困難。本文針對(duì)Inconel 718十二角頭螺栓的材料特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，討論螺栓的關(guān)鍵加工技術(shù)和制造工藝，確定最優(yōu)工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品的批量加工。

1 產(chǎn)品特點(diǎn)

1.1 螺栓結(jié)構(gòu)及性能要求

十二角頭螺栓的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中頭部采用熱鐓鍛的方式加工，桿部采用磨削的方式加工，螺紋部位采用滾壓的方式加工。螺栓頭部形狀復(fù)雜，具有十二角扳擰結(jié)構(gòu)，在扳擰的時(shí)候受力充分且扳手不易滑脫；在十二角頭底部帶有法蘭臺(tái)，作為安裝后的承力部位。本文要研究的螺栓加工精度要求較高，以-4規(guī)格產(chǎn)品為例來(lái)闡述螺栓的制造技術(shù)，其桿部直徑為φ6.34mm，性能要求如表1所示。

1.2 材料特性及成形難點(diǎn)

圖1 十二角頭螺栓結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of twelve-point bolt

表1 Inconel 718十二角頭螺栓性能要求

Inconel 718高溫合金具有以下不同于一般金屬材料的成形特點(diǎn)[4]。

(1)塑性低。較高的合金化程度導(dǎo)致高溫合金的工藝塑性較低，其工藝性對(duì)變形速度和應(yīng)力狀態(tài)很敏感。

(2)變形抗力大。Inconel 718高溫合金的成分復(fù)雜，在變形溫度下具有較高的變形抗力和硬化傾向。

(3)熱加工溫度范圍窄。Inconel 718高溫合金為面心立方結(jié)構(gòu)，層錯(cuò)能較低，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是熱加工過(guò)程中的重要軟化機(jī)制，也是細(xì)化晶粒的主要途徑之一。為了得到均勻的晶粒組織，合金的熱加工應(yīng)在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行，Inconel 718高溫合金再結(jié)晶溫度較高，約為969℃。而較多的合金元素的加入使合金的熔點(diǎn)偏低，約為1219℃。十二角螺栓頭部成形時(shí)變形量較大，需要有足夠的塑性，因此，合金可進(jìn)行的熱加工溫度范圍比較小。由于熱加工范圍窄，溫度控制較難，溫度過(guò)高會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱或過(guò)燒等缺陷。

2 加工工藝

Inconel 718十二角頭螺栓采用棒材加工，材料滿(mǎn)足AMS5662標(biāo)準(zhǔn)的要求。主要制造工藝路線(xiàn)為：下料→熱鐓鍛→熱處理→磨削→車(chē)加工→滾壓螺紋→圓角強(qiáng)化→標(biāo)記→表面處理→包裝，其中熱鐓鍛、熱處理、滾壓螺紋是關(guān)鍵工藝過(guò)程，下面將針對(duì)這幾個(gè)工藝進(jìn)行探討。

2.1 熱鐓鍛

十二角頭螺栓具有頭部形狀復(fù)雜、變形量大、難以成形等特點(diǎn)。螺栓頭部的十二角扳擰部位下部為法蘭面，金屬在鐓鍛成形時(shí)趨向于向阻力最小的位置流動(dòng)，因此在成形時(shí)不易積聚在型腔內(nèi)部，而是向法蘭面外的飛邊處堆積，使得十二個(gè)棱邊填充困難，因此鐓鍛時(shí)的體積分配和模具型腔的設(shè)計(jì)很重要。Inconel 718合金是典型的工藝敏感型合金，鍛造溫度區(qū)間狹窄，其熱加工工藝，尤其是鍛造溫度的控制，對(duì)鍛件質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用[5]。加熱溫度過(guò)低，金屬流動(dòng)性不夠，十二個(gè)棱邊填充不滿(mǎn)；加熱溫度過(guò)高，金屬容易產(chǎn)生過(guò)熱、過(guò)燒現(xiàn)象，螺栓頭部會(huì)產(chǎn)生熱裂紋，因此關(guān)鍵是解決模具設(shè)計(jì)和溫度控制問(wèn)題。

(1)模具及鐓鍛方式。

由于十二角頭螺栓強(qiáng)度較高，使用的Inconel 718棒材是高強(qiáng)度拉拔材料，因此只能采用單個(gè)加熱鐓鍛方式。根據(jù)鐓鍛比，對(duì)鐓鍛模具進(jìn)行兩次變形的體積分配，確定初沖和二沖模具型腔的形狀。坯料在加熱后，在初沖型腔里初步成形，在二沖型腔里得到最終的形狀。在高溫狀態(tài)下，Inconel 718高溫合金材料的粘性很大，容易粘在模具上，影響鐓鍛件的脫模，并且在成型的頭部表面留下劃痕，影響表面質(zhì)量，因此在鐓鍛前要對(duì)坯料進(jìn)行潤(rùn)滑處理，使用的潤(rùn)滑劑在高溫狀態(tài)下應(yīng)不揮發(fā)。

(2)鐓鍛溫度。

Inconel718高溫合金的強(qiáng)度、塑性與溫度關(guān)系如圖2所示?？梢钥闯?，900℃時(shí)材料塑性才有較明顯的上升，直到1100℃時(shí)材料仍有較好的塑性。結(jié)合1.2節(jié)中所述的溫度范圍，以50℃為區(qū)間，將加熱溫度劃為A、B、C、D 4個(gè)溫度帶，分別進(jìn)行鐓鍛工藝試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定最優(yōu)的鐓鍛溫度。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖2 Inconel 718材料強(qiáng)度、塑性隨溫度的變化圖Fig.2 Variations of inconel 718 strength and plasticity with temperature

由以上各溫度帶的鐓制件可以看出：螺栓在C溫度帶鐓鍛時(shí)，頭部成形充分，產(chǎn)生的少量飛邊沒(méi)有造成材料過(guò)多浪費(fèi)，可以確定為最優(yōu)鐓鍛溫度范圍。同時(shí)根據(jù)鐓鍛試驗(yàn)結(jié)果，可以看到螺栓頭部材料先是在法蘭面飛邊處堆積成形，其次再填充十二角棱邊，這與前面的理論分析是相吻合的。

2.2 熱處理

十二角頭螺栓采用的是Inconel 718高溫合金棒材，材料的原始狀態(tài)為固溶退火狀態(tài)，并進(jìn)行了加工硬化。產(chǎn)品要達(dá)到最終性能，需要對(duì)鐓鍛件進(jìn)行熱處理，使制件得到時(shí)效強(qiáng)化，達(dá)到沉淀硬化狀態(tài)，以獲得高強(qiáng)度及良好的塑性等綜合能力。為了獲得最佳熱處理制度，采用以下3種熱處理方案：(1)690℃等溫退火；(2)718℃等溫退火；(3)788℃水淬。通過(guò)對(duì)比3種熱處理方案下試驗(yàn)件的性能，得出最優(yōu)的熱處理制度(圖3)。

表2 不同溫度帶的鐓制件

通過(guò)以上試驗(yàn)對(duì)比可以看出，對(duì)于抗拉性能來(lái)說(shuō)，熱處理制度2的螺栓為3種熱處理狀態(tài)中抗拉值最大的，且波動(dòng)性較小，一致性也是最好的；對(duì)于雙剪性能來(lái)說(shuō)，熱處理制度2的螺栓雙剪數(shù)值不是最大的，但是也遠(yuǎn)高于要求值，且波動(dòng)控制在0.36kN的范圍內(nèi)，一致性最好；此外3種熱處理制度的螺栓疲勞壽命一致，在規(guī)定載荷狀態(tài)下都達(dá)到了130000次。綜上所述，熱處理制度2的螺栓3種力學(xué)性能最優(yōu)，為該拉拔應(yīng)力狀態(tài)下的最優(yōu)熱處理制度。

2.3 滾壓螺紋

Inconel 718高溫合金的強(qiáng)度要求達(dá)到1515MPa以上，其硬度較高，可達(dá)到HRC43～48，塑性較差，材料產(chǎn)生的加工硬化嚴(yán)重。如果進(jìn)行冷滾壓加工，使得加工存在以下問(wèn)題：一是滾絲輪壽命較短，滾壓數(shù)件或數(shù)十件螺紋毛坯后滾絲輪產(chǎn)生崩齒的問(wèn)題(見(jiàn)圖4)；二是滾壓件很容易產(chǎn)生裂紋、折疊超標(biāo)等缺陷(如圖5所示)，不適合批量生產(chǎn)，同時(shí)也不能滿(mǎn)足產(chǎn)品的質(zhì)量要求。針對(duì)以上問(wèn)題，決定采用溫滾壓的方式加工螺紋。材料在加熱以后強(qiáng)度降低，加工硬化現(xiàn)象緩解，流動(dòng)性增強(qiáng)，易于滾壓成形，可以有效解決滾絲輪崩齒和螺紋質(zhì)量問(wèn)題。溫滾螺紋工藝中，滾壓溫度、滾壓力、滾壓時(shí)間等滾壓參數(shù)以及螺紋毛坯尺寸是制造過(guò)程控制的關(guān)鍵，需要通過(guò)工藝試驗(yàn)來(lái)確定。

圖3 熱處理試驗(yàn)對(duì)比Fig.3 Comparisons of heat treatment tests

圖4 滾絲輪崩齒Fig.4 Damage of thread rolling wheel

圖5 螺紋裂紋Fig.5 Cracking on thread

表3 試驗(yàn)結(jié)果(平均值)

螺栓在溫滾壓后，通過(guò)千分尺、輪廓測(cè)量?jī)x和螺紋通止規(guī)來(lái)檢驗(yàn)螺紋尺寸，通過(guò)金相分析確認(rèn)螺紋流線(xiàn)是否合格。螺紋在溫滾壓冷卻后，通常會(huì)產(chǎn)生0.02～0.04mm的回彈，這是不同于冷滾需要額外控制的地方，因此在溫滾壓的時(shí)候要進(jìn)行尺寸補(bǔ)償。

3 研制試件評(píng)估

3.1 外觀(guān)尺寸和冶金特性

最終加工完成的Inconel 718十二角頭螺栓如圖6所示。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中要求螺栓尺寸和表面粗糙度應(yīng)符合圖紙要求，表面不應(yīng)有裂紋、毛刺、刮傷、凹痕和其他機(jī)械損傷；頭部和螺紋晶粒流線(xiàn)連續(xù)，微觀(guān)組織沒(méi)有裂紋和夾雜，螺紋牙底和側(cè)面無(wú)折疊及發(fā)紋等缺陷。經(jīng)檢測(cè)，研制件尺寸和表面質(zhì)量合格，冶金特性也滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)范的要求。

圖6 研制件成品Fig.6 Finished product

3.2 機(jī)械性能試驗(yàn)

根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范的要求，Inconel 718十二角頭螺栓的試驗(yàn)內(nèi)容包括：拉伸試驗(yàn)、雙剪試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、高溫拉伸、應(yīng)力破壞。試驗(yàn)方法依據(jù)GJB 715，為試驗(yàn)機(jī)配備專(zhuān)用的試驗(yàn)夾具進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。結(jié)果表明，螺栓的機(jī)械性能均符合規(guī)范的要求。

4 結(jié)論

本文介紹了Inconel 718十二角頭螺栓的材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)熱鐓鍛、熱處理和滾壓螺紋等工藝重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了分析，通過(guò)工藝試驗(yàn)得到以下結(jié)論。

(1)熱鐓鍛的關(guān)鍵是模具設(shè)計(jì)和溫度的控制，采用一模兩沖的單個(gè)鐓鍛方式，溫度控制在C溫度段，可以鐓鍛出合格的頭部形狀，并且內(nèi)部組織無(wú)裂紋、發(fā)紋等缺陷；

(2)通過(guò)3種熱處理方案對(duì)比，718℃等溫退火熱處理制度下的螺栓具有最優(yōu)的綜合性能，確定其為最優(yōu)熱處理制度；

(3)采用溫滾壓的方式加工螺紋，解決了滾絲輪崩齒和螺紋裂紋的問(wèn)題，通過(guò)工藝試驗(yàn)確定了合理的滾壓工藝參數(shù)。

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