鎳基高溫合金旋壓成形技術(shù)研究現(xiàn)狀*

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣州 510640）

鎳基高溫合金是以鎳為基體，在650℃以上的高溫下有較高的強(qiáng)度及一定的抗氧化腐蝕能力等綜合性能的一類合金[1]；因具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、優(yōu)異的疲勞和斷裂韌性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船及核工業(yè)等高端裝備領(lǐng)域[2]。鎳基高溫合金薄壁構(gòu)件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室殼體、核反應(yīng)堆用屏蔽罩等[3]，是高端裝備中熱端部位的核心零部件，主要在高溫、高壓及重載等嚴(yán)酷的環(huán)境下服役，其成形質(zhì)量和組織性能直接決定裝備的整機(jī)性能[4]。此類零件傳統(tǒng)的制備方法主要有板材卷焊或多道次沖壓拉深成形。采用卷焊工藝時(shí)，易脆裂和應(yīng)力集中的焊縫往往成為裂紋擴(kuò)展的源頭，且焊接應(yīng)力的存在會(huì)影響構(gòu)件的尺寸精度及形位公差[5]；采用多道次沖壓拉深成形時(shí)，存在不同程度的壁厚減薄和壁厚不均勻現(xiàn)象[6]。旋壓是借助于旋輪的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，加壓于隨芯模沿同一軸線旋轉(zhuǎn)的金屬毛坯，使其產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性變形而成為所需薄壁空心零件的一種有效的近凈精密塑性成形方法；具有材料利用率高、成本低、產(chǎn)品性能好的優(yōu)點(diǎn)，而且可有效避免卷焊時(shí)的焊縫及改善沖壓拉深成形時(shí)的壁厚不均勻性[7]。因此，旋壓成形是制備鎳基高溫合金薄壁構(gòu)件最有效的方法之一。

鎳基高溫合金室溫下塑性較好（如Haynes230 合金室溫伸長(zhǎng)率為46%），但合金化程度高，成形時(shí)變形抗力大，加工硬化嚴(yán)重（如Haynes230 合金硬化指數(shù)為0.74）[8]。對(duì)于成形能力有限的鎳基高溫合金，當(dāng)變形程度較大時(shí)，需通過(guò)熱旋壓成形時(shí)的再結(jié)晶軟化來(lái)消除加工硬化，提高其成形性能。鎳基高溫合金室溫旋壓成形時(shí)易產(chǎn)生起皺、破裂等[9]；熱旋壓成形時(shí)，其成形窗口狹窄、成形溫度精確控制難度較大，易出現(xiàn)隆起、表面氧化等。材料的性能、旋壓方式及成形參數(shù)等均對(duì)旋壓成形時(shí)的宏觀成形質(zhì)量和微觀組織性能具有較大影響[10]。本文分析了鎳基高溫合金在旋壓成形可旋性、宏觀成形質(zhì)量、微觀組織演變及形/性一體化控制等方面的研究現(xiàn)狀，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

可旋性研究

可旋性是指旋壓時(shí)材料不發(fā)生起皺、破裂等典型缺陷，能順利成形并滿足精度要求的能力[11]，它是判斷材料能否旋壓成形的依據(jù)，旋壓成形技術(shù)可分為普通旋壓和強(qiáng)力旋壓[5]。強(qiáng)力旋壓是指不改變毛坯外徑而顯著改變其厚度的旋壓成形方法，其中流動(dòng)旋壓被認(rèn)為是制備薄壁筒形件最有效的方法之一[5]，目前關(guān)于鎳基高溫合金可旋性的研究主要集中在筒形件流動(dòng)旋壓成形方面。由于流動(dòng)旋壓時(shí)材料主要發(fā)生壁厚減薄，故常采用材料破裂前所能承受的極限減薄率作為評(píng)價(jià)可旋性的指標(biāo)[6]。由于鎳基高溫合金含有合金元素種類較多、合金化程度高，合金元素即可固溶于基體相中形成面心立方奧氏體；也可從基體相中析出，形成第二相或金屬間化合物；當(dāng)合金元素固溶于基體相，且無(wú)明顯偏析時(shí)，可提高材料的變形能力[12]。此外，微觀組織均勻性及成形溫度也對(duì)鎳基高溫合金可旋性具有較大影響。因此，目前對(duì)鎳基高溫合金流動(dòng)旋壓成形時(shí)的可旋性研究主要考慮坯料的初始組織及溫度的影響。

田黨[13]研究了經(jīng)均勻化退火，獲得的具有均勻組織的Incoloy 鎳基合金筒形件室溫流動(dòng)旋壓成形性能，指出當(dāng)Incoloy 鎳基合金筒形件流動(dòng)旋壓時(shí)減薄率達(dá)到35%時(shí)，旋壓件將會(huì)出現(xiàn)表面裂紋。趙云豪等[14]研究了IJ85 及GH169 鎳基合金筒形件室溫流動(dòng)旋壓時(shí)的可旋性，指出鑄態(tài)鎳基高溫合金組織不均且存在偏析，其可旋性較差；但經(jīng)過(guò)固溶處理后的IJ85 及GH169 鎳基合金成形性能得以顯著提升，在多道次旋壓過(guò)程中，在不需要中間熱處理時(shí)，IJ85和GH169 鎳基合金總減薄率可分別達(dá)到80%和60%，而不產(chǎn)生破裂缺陷。鎳基高溫合金在加熱條件下進(jìn)行旋壓成形時(shí)，發(fā)生的動(dòng)態(tài)回復(fù)及再結(jié)晶不僅消除了塑性變形時(shí)的加工硬化，同時(shí)還可細(xì)化晶粒，從而提高了材料的成形性能[4]。王新坤[15]基于成形試驗(yàn)，研究了溫度對(duì)Haynes230 鎳基合金筒形件流動(dòng)旋壓時(shí)成形極限的影響。結(jié)果表明，在室溫下Haynes230 鎳基合金總減薄率達(dá)到34.4%時(shí)，將產(chǎn)生破裂缺陷；當(dāng)成形溫度提高到1100℃時(shí)，材料成形性能顯著提高，總減薄率可達(dá)80%以上，所制備的零件成形良好，無(wú)裂紋產(chǎn)生。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的噴注器及預(yù)燃室圓頂蓋、燃汽輪機(jī)燃燒室進(jìn)氣及出氣段等部件中存在的大量杯形及錐筒形件，為提高此類零件的機(jī)械性能，可采用拉深或剪切旋壓的方法代替板材卷焊或沖壓拉深成形。因此，還需對(duì)杯形件拉深旋壓及錐形件剪切旋壓時(shí)的可旋性進(jìn)行系統(tǒng)研究。

宏觀成形質(zhì)量研究

鎳基高溫合金構(gòu)件作為航空航天及核工業(yè)中的熱端高精密部件的核心零件，需與其他零部件進(jìn)行精密配合，因此，對(duì)宏觀成形質(zhì)量具有較高的要求[3]。

圖1 鎳基高溫合金室溫拉深旋壓成形缺陷Fig.1 Forming defects of Ni-based superalloy parts during deep-drawing spinning at room temperature

1 典型缺陷分析

不同的旋壓成形方式下，坯料所受的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及變形方式各異，故鎳基高溫合金旋壓時(shí)產(chǎn)生的缺陷類型也各不相同[5]。普通旋壓是指在旋壓過(guò)程中，改變毛坯形狀、直徑增大或減小，而其厚度不變或有少許變化的旋壓方式，其中拉深旋壓是普通旋壓中最主要和應(yīng)用最廣泛的成形方法，常用于成形各類杯形件[6]。拉深旋壓成形時(shí)，坯料凸緣部分承受較大的切向壓應(yīng)力、杯壁承受較大的軸向拉應(yīng)力，且旋壓件口部的變形程度最大；因此，在旋壓成形過(guò)程中凸緣處易出現(xiàn)起皺缺陷、在旋壓件的口部及杯壁部易產(chǎn)生破裂缺陷[6]。此外，由于鎳基高溫合金加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，旋壓成形溫度及旋輪運(yùn)動(dòng)軌跡、旋壓工藝參數(shù)、旋輪結(jié)構(gòu)參數(shù)等成形條件對(duì)旋壓成形過(guò)程影響極為顯著。

凌澤宇等[16]基于試驗(yàn)對(duì)鎳基高溫合金錐筒形件室溫拉深旋壓成形進(jìn)行了研究，指出當(dāng)進(jìn)給比或坯料直徑過(guò)大時(shí)，因凸緣處切向壓應(yīng)力過(guò)大，將導(dǎo)致起皺缺陷（圖1（a））；當(dāng)進(jìn)給比及道次間距過(guò)小時(shí)，因多次碾壓導(dǎo)致加工硬化嚴(yán)重，在工件口部易出現(xiàn)破裂缺陷（圖1（b））。Li 等[17]基于試驗(yàn)研究了GH3030 鎳基合金杯形件室溫多道次拉深旋壓成形規(guī)律，指出采用螺旋線形的旋輪軌跡可有效減小拉深旋壓成形時(shí)的壁部破裂傾向。安震等[18]基于有限元模擬研究了Ni–Gr–W–Mo 鎳基高溫合金曲母線形件熱拉深旋壓成形規(guī)律，根據(jù)最大主應(yīng)力分布規(guī)律，判斷旋輪圓角半徑對(duì)旋壓件起皺影響最顯著。孫琳琳等[19]基于有限元模擬研究了Ni–Gr–W–Mo 鎳基高溫合金曲母線異形件熱拉深旋壓成形，發(fā)現(xiàn)控制溫度的均勻性對(duì)鎳基合金旋壓成形具有較大影響，當(dāng)板坯內(nèi)外表面形成較大的溫度差時(shí)，易產(chǎn)生不均勻變形，從而導(dǎo)致材料產(chǎn)生不穩(wěn)定流動(dòng)甚至拉裂；通過(guò)合理規(guī)劃旋輪軌跡，可避免材料堆積。

與拉深旋壓不同，流動(dòng)旋壓時(shí)，材料主要發(fā)生徑向減薄、軸向伸長(zhǎng)變形，變形量較大，變形較為均勻[5]。室溫下旋壓成形時(shí)，由于顯著的加工硬化效應(yīng)，當(dāng)超過(guò)材料的成形極限時(shí)將產(chǎn)生破裂缺陷；熱成形是提高材料變形能力的最有效手段，但熱成形在提高材料塑性的同時(shí)，降低了坯料的剛度，從而易產(chǎn)生隆起缺陷。Xia 等[20–21]對(duì)Haynes230 鎳基合金筒形件流動(dòng)旋壓成形進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，室溫流動(dòng)旋壓成形時(shí)，當(dāng)減薄率過(guò)大時(shí)，旋壓件將產(chǎn)生裂紋（圖2（a））；而采用熱流動(dòng)旋壓成形時(shí)，當(dāng)成形溫度過(guò)高或減薄率過(guò)大時(shí)，坯料變形抗力下降、軸向旋壓力增加，在旋輪前端將產(chǎn)生隆起缺陷（圖2（b））。

圖2 鎳基高溫合金筒形件旋壓成形缺陷Fig.2 Forming defects of Ni-based superalloy cylindrical parts during flow forming

2 尺寸精度控制

與傳統(tǒng)的卷焊及沖壓拉深成形相比，旋壓成形可有效避免焊接變形并顯著改善壁厚不均等問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)鎳基高溫合金構(gòu)件高精度成形最有效的方法。但旋壓成形屬于半模成形工藝，柔性化程度較高、成形參數(shù)眾多，且室溫成形時(shí)顯著的加工硬化效應(yīng)將直接影響金屬的塑性變形，因此成形精度精確控制難度較大[22]。在普通旋壓方面，凌澤宇等[16]研究了Haynes230 鎳基合金錐筒件多道次拉深旋壓成形工藝，指出旋輪軌跡是影響壁厚減薄的重要因素，當(dāng)采用圓弧形軌跡、首道次仰角40°、道次間距5mm時(shí)，壁厚最大減薄率可控制在7%以內(nèi)。在流動(dòng)旋壓方面，錯(cuò)距旋壓作為筒形件流動(dòng)旋壓最常用的方法，是將多個(gè)旋輪沿軸向和軸向錯(cuò)開(kāi)一定距離，把一道工序中的減薄率分配給多個(gè)旋輪的旋壓成形方法。Lin 等[23]研究了Hastelloy C–276 鎳基高溫合金筒形件室溫錯(cuò)距旋壓時(shí)工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響規(guī)律，結(jié)果表明，進(jìn)給比、減薄率及旋輪圓角半徑對(duì)壁厚均勻性和內(nèi)徑精度有顯著影響；通過(guò)工藝參數(shù)優(yōu)化獲得了合理的工藝參數(shù)組合為：道次壁厚減薄率為30%～40%，進(jìn)給比為0.8mm/r，三旋輪的圓角半徑分別為3mm、4mm和6mm，此時(shí)的壁厚偏差為0.06mm，直徑偏差為0.117mm，實(shí)現(xiàn)了對(duì)尺寸精度的控制。王大力等[24]基于成形試驗(yàn)研究了GH4169鎳基高溫合金筒形件錯(cuò)距旋壓成形的尺寸精度控制方法，指出變壁厚、大長(zhǎng)徑比鎳基高溫合金零件旋壓成形的關(guān)鍵是減薄率與進(jìn)給比的合理匹配，成形時(shí)根據(jù)減薄率來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)給比，可將旋壓件內(nèi)徑偏差控制在0.1mm 以內(nèi)。

除旋壓工藝參數(shù)外，鎳基高溫合金熱旋壓成形時(shí)，由于成形溫度窗口狹窄，且成形溫度及均勻性將直接影響材料的流動(dòng)及塑性變形，因此，鎳基高溫合金熱旋壓成形溫度的精確控制尤為重要[25]。Tomas 等[26]對(duì)C–276 鎳基合金多道次熱拉深旋壓成形方法進(jìn)行了研究，由于旋壓成形時(shí)構(gòu)件的形狀發(fā)生顯著變化，采用激光加熱的方法，通過(guò)兩臺(tái)測(cè)溫儀分別測(cè)定坯料成形區(qū)旋輪前后的溫度，順利實(shí)現(xiàn)了熱旋壓成形，減小了室溫旋壓成形時(shí)的回彈。朱寧遠(yuǎn)等[27]研究了Haynes230 合金筒形件熱流動(dòng)旋壓成形方法，由于筒形件成形過(guò)程中形狀保持不變，選擇電磁感應(yīng)線圈對(duì)坯料成形區(qū)進(jìn)行加熱，獲得了均勻的溫度場(chǎng)，采用紅外線測(cè)溫儀及控溫裝置，通過(guò)反饋調(diào)節(jié)搭建了自動(dòng)測(cè)溫–控溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)成形時(shí)溫度的精確控制；采用正交成形試驗(yàn)研究了Haynes230 鎳基高溫合金筒形件熱流動(dòng)旋壓時(shí)的成形質(zhì)量，獲得了優(yōu)化的工藝參數(shù)組合：進(jìn)給比0.6mm/r、溫度1100℃、減薄率75%，此時(shí)旋壓件的尺寸精度為壁厚偏差0.052mm、橢圓度0.105mm、直線度0.11mm，實(shí)現(xiàn)了鎳基高溫合金筒形件的精確塑性成形。

目前對(duì)鎳基高溫合金缺陷研究方法主要有成形試驗(yàn)及有限元模擬，但采用成形試驗(yàn)易造成材料浪費(fèi)；基于有限元模擬，通過(guò)應(yīng)力及壁厚分布來(lái)進(jìn)行判斷，使理論分析與實(shí)際存在較大誤差；因此，尚需構(gòu)建鎳基高溫合金旋壓成形時(shí)的斷裂準(zhǔn)則與失穩(wěn)判據(jù)，進(jìn)一步探究鎳基高溫合金典型缺陷及成形精度精確預(yù)測(cè)與控制方法。

微觀組織演變規(guī)律研究

構(gòu)件的微觀組織是影響其機(jī)械性能最主要的因素，鎳基高溫合金構(gòu)件一般在高溫、高壓、重載等極端條件下服役，對(duì)其微觀組織的尺寸及均勻性具有較高的要求，以滿足在惡劣環(huán)境下服役所需的機(jī)械性能[28]，目前關(guān)于鎳基高溫合金旋壓成形時(shí)微觀組織演變的研究主要集中在流動(dòng)旋壓方面。

1 室溫旋壓成形時(shí)微觀組織演變

鎳基高溫合金屬于高層錯(cuò)能合金，室溫成形時(shí)，易發(fā)生交滑移，同時(shí)固溶于基體相的合金元素具有釘扎、阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，旋壓過(guò)程中通過(guò)位錯(cuò)的增殖和交互作用，形成胞狀結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)組織的細(xì)化[29]。此外，鎳基高溫合金旋壓成形時(shí)的微觀組織的演變還與旋壓成形工藝參數(shù)緊密相關(guān)。Lin 等[30]基于成形試驗(yàn)研究了Hastelloy C–276 鎳基高溫合金筒形件室溫三旋輪錯(cuò)距旋壓時(shí)的微觀組織演變規(guī)律，結(jié)果表明，當(dāng)減薄率較小時(shí)，晶粒以單滑移為主，晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)纏結(jié)區(qū)域（DTZs）較少，剪切面（Shear plane）相互平行（圖3（a））；隨著減薄率的增加，在剪切面周?chē)纬奢^多的位錯(cuò)纏結(jié)區(qū)域，變形機(jī)制逐漸由單滑移轉(zhuǎn)變?yōu)榻换疲▓D3（b）和（c））。減薄率對(duì)鎳基高溫合金旋壓件的變形均勻性有較大影響，當(dāng)減薄率超過(guò)44.1%時(shí)，Hastelloy C–276 鎳基高溫合金筒形件變形較為均勻。

圖3 鎳基高溫合金筒形件室溫旋壓時(shí)減薄率對(duì)旋壓件微觀組織的影響Fig.3 Influence of the wall thickness thinning on microstructure during spinning at room temperature of Ni-based superalloy cylindrical parts

2 熱旋壓成形時(shí)微觀組織演變

鎳基高溫合金顯著的加工硬化效應(yīng)限制了材料的塑性成形能力，通過(guò)加熱條件下的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化效應(yīng)可有效消除其塑性成形時(shí)的加工硬化、提高塑性、降低變形抗力。熱旋壓成形是在熱力耦合作用下的逐點(diǎn)連續(xù)塑性變形過(guò)程，與室溫下的旋壓成形相比，熱旋壓成形時(shí)微觀組織演變更為復(fù)雜，體現(xiàn)為位錯(cuò)增殖、纏結(jié)與湮滅、動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核與晶界的遷移等微觀組織演變同時(shí)存在且相互競(jìng)爭(zhēng)[31]。傳統(tǒng)的微觀組織觀測(cè)手段無(wú)法實(shí)現(xiàn)微觀組織演變的動(dòng)態(tài)觀察，而通過(guò)熱力耦合條件下的微觀組織數(shù)值模擬技術(shù)已成為研究組織演變機(jī)制的重要工具。Xia 等[32–33]采用基于Kocks-Mecking 模型的元胞自動(dòng)機(jī)（CA）模擬，對(duì)Haynes230 鎳基高溫合金筒形件加熱條件下的筒形件錯(cuò)距旋壓時(shí)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核機(jī)制及微觀組織演變過(guò)程進(jìn)行模擬，采用Matlab 圖像顯示函數(shù)，將境界作為狀態(tài)變量，實(shí)現(xiàn)了晶粒及晶界的識(shí)別和可視化；探索出了Haynes230 合金熱流動(dòng)旋壓過(guò)程中，在晶界處以弓出形核方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核；在第一道次旋壓過(guò)程中，應(yīng)變量較小，組織內(nèi)部所聚集的位錯(cuò)及能量不足，僅在晶界處出現(xiàn)少量的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核；隨著旋壓過(guò)程的進(jìn)行，在第二道次熱流動(dòng)旋壓過(guò)程中，通過(guò)在基體晶界處及再結(jié)晶晶界的再次形核，微觀組織中形成了大量的再結(jié)晶晶粒；在第三道次旋壓過(guò)程中，組織已達(dá)到完全再結(jié)晶，組織仍在不斷發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大，晶粒尺寸趨于穩(wěn)定（圖4）；熱流動(dòng)旋壓時(shí)溫度和減薄率是影響晶粒尺寸的主要因素，當(dāng)溫度T≥1100℃、減薄率Ψt≥56%時(shí)，可獲得細(xì)小均勻的完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織（圖5）。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)鎳基高溫合金旋壓成形時(shí)微觀組織演變進(jìn)行了較為深入的研究，并實(shí)現(xiàn)了晶粒演變的動(dòng)態(tài)觀測(cè)，但對(duì)第二相的研究相對(duì)較少。由于鎳基高溫合金需在特殊環(huán)境下服役，需要其微觀組織為基體相（γ 相）基體上分布著大小相互配合的γ'第二相，以獲得較高的晶內(nèi)及晶界強(qiáng)度，同時(shí)還需控制晶粒尺寸，以獲得優(yōu)良的抗蠕變性能[34]。因此，還需研究旋壓時(shí)的基體相及第二相的尺寸、形態(tài)及分布規(guī)律，探索微觀組織精確調(diào)控方法。

熱流動(dòng)旋壓時(shí)形/性一體化控制研究

兼具高尺寸精度和優(yōu)異機(jī)械性能的零部件已成為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，如應(yīng)用于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)及核反應(yīng)堆等裝備的鎳基高溫合金構(gòu)件對(duì)成形質(zhì)量和組織性能均具有較高的要求。

室溫旋壓成形時(shí)，塑性變形將促使微觀組織細(xì)化，提高構(gòu)件的機(jī)械性能；而熱旋壓成形在提高材料變形能力的同時(shí)，在熱力耦合作用下，若成形工藝不合理，將會(huì)使構(gòu)件的組織性能惡化，故熱旋壓成形時(shí)的組織性能控制至關(guān)重要；而且成形時(shí)塑性變形與組織演變之間存在復(fù)雜的交互作用[35]。影響鎳基高溫合金旋壓成形質(zhì)量和微觀組織的因素眾多（材料性能、旋壓方式、成形溫度、旋壓工藝及旋輪結(jié)構(gòu)參數(shù)），且宏觀成形質(zhì)量和機(jī)械性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)也較多，因此，還需進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。目前關(guān)于形/性一體化控制的研究主要集中在筒形件熱流動(dòng)旋壓方面。朱寧遠(yuǎn)[27]、Xiao 等[36]針對(duì)Haynes230鎳基高溫合金筒形件高精度與高性能的要求，提出基于能量耗散及大塑性變形不可逆熱力學(xué)極值原理，構(gòu)建基于動(dòng)態(tài)材料模型的熱加工圖，以獲得成形時(shí)流變失穩(wěn)條件及有利于成形及微觀組織演變一體化控制的工藝條件（圖6（a）～（d））。通過(guò)微觀組織觀測(cè)，獲得了工藝參數(shù)對(duì)宏觀成形質(zhì)量、微觀組織及室溫機(jī)械性能的影響規(guī)律；采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法進(jìn)行成形質(zhì)量及組織性能協(xié)同研究的多目標(biāo)優(yōu)化，獲得了優(yōu)化的工藝參數(shù)組合為：成形溫度1100℃、進(jìn)給比0.6mm/r、減薄率80%，此時(shí)旋壓件的壁厚偏差0.052mm、橢圓度0.105mm、直線度0.11mm、室溫屈服強(qiáng)度1223MPa、室溫抗拉強(qiáng)度1477MPa、室溫伸長(zhǎng)率13.12%；實(shí)現(xiàn)了鎳基高溫合金構(gòu)件的高精度、高性能制備圖（6（e））。

圖4 熱流動(dòng)旋壓過(guò)程CA模擬Fig.4 CA simulation of hot power spinning

圖5 不同溫度下熱流動(dòng)旋壓CA模擬微觀組織演變Fig.5 Microstructure of hot power spinning obtained by CA simulation under different temperatures

目前對(duì)鎳基高溫合金性能的研究主要集中在屈服及抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率等室溫機(jī)械性能方面，而鎳基高溫合金一般在高溫、高壓環(huán)境下服役；除室溫性能外，持久強(qiáng)度和蠕變極限等高溫機(jī)械性能也是評(píng)價(jià)鎳基高溫合金構(gòu)件的重要指標(biāo)；因此，尚需進(jìn)一步研究鎳基高溫合金旋壓件的高溫機(jī)械性能，探究宏觀成形質(zhì)量與室溫及高溫機(jī)械性能一體化控制方法。

結(jié)論

（1）旋壓成形是制備鎳基高溫合金薄壁空心回轉(zhuǎn)體零件最有效的方法之一。筒形件流動(dòng)旋壓是目前鎳基高溫合金旋壓成形應(yīng)用最廣泛的旋壓成形方法，坯料的初始組織和成形溫度是影響鎳基高溫合金筒形件流動(dòng)旋壓時(shí)可旋性的主要因素；當(dāng)合金元素固溶于基體相形成固溶體時(shí)，鎳基高溫合金具有較好的可旋性，提高成形溫度可顯著提升鎳基高溫合金的可旋性。

（2）不同的旋壓方式下，鎳基高溫合金旋壓成形時(shí)典型缺陷及精度控制方法各異。室溫拉深旋壓及熱拉深旋壓時(shí)主要發(fā)生凸緣起皺及破裂缺陷，室溫流動(dòng)旋壓時(shí)易產(chǎn)生壁部裂紋；熱流動(dòng)旋壓時(shí)主要發(fā)生隆起缺陷。旋輪運(yùn)動(dòng)軌跡、減薄率及進(jìn)給比與旋輪結(jié)構(gòu)參數(shù)、旋壓成形溫度分別是影響室溫拉深旋壓、室溫流動(dòng)旋壓及熱流動(dòng)旋壓成形時(shí)尺寸精度的主要參數(shù)。

圖6 鎳基高溫合金筒形件熱流動(dòng)旋壓形/性一體化控制Fig.6 Shape/property integrated control of Ni-based superalloy cylindrical parts during hot power spinning

（3）成形溫度和減薄率是影響鎳基高溫合金筒形件流動(dòng)旋壓時(shí)微觀組織演變機(jī)制的主要因素。鎳基高溫合金室溫旋壓時(shí)，隨著減薄率的增加，晶粒變形由位錯(cuò)單滑移逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e(cuò)交滑移。熱旋壓成形時(shí)同時(shí)存在位錯(cuò)增殖、動(dòng)態(tài)回復(fù)及再結(jié)晶，再結(jié)晶形核機(jī)制為晶界弓出形核；隨著總減薄率的增加，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)增加，晶粒尺寸逐漸趨于穩(wěn)定。

（4）鎳基高溫合金筒形件熱流動(dòng)旋壓時(shí)，可通過(guò)構(gòu)建材料熱加工圖，獲得有利于成形及微觀組織一體化控制的條件，采用灰色關(guān)聯(lián)度法進(jìn)行宏觀成形質(zhì)量和組織性能的多目標(biāo)優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)鎳基高溫合金熱流動(dòng)旋壓成形的形/性一體化控制。