高溫合金機(jī)匣鍛件改進(jìn)研究

韓鵬江，張國成

（空軍裝備部駐遼陽地區(qū)軍事代表室,遼寧 沈陽 110034）

機(jī)匣類零件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，它支承轉(zhuǎn)子，固定靜子葉片及附件，構(gòu)成氣流通道和傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)推力。機(jī)匣類零件具有形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工余量大、剛性低、精度要求高、加工工藝性差的特點(diǎn)，對(duì)于尺寸精度有著較高的要求，其使用穩(wěn)定性直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的服役安全性與可靠性。由于受機(jī)匣結(jié)構(gòu)、材料性能、加工應(yīng)力等多方面影響，機(jī)匣在加工和使用過程中會(huì)產(chǎn)生變形。使用中變形會(huì)引起轉(zhuǎn)子與靜子之間的刮碰、摩擦。在大修時(shí)發(fā)現(xiàn)部分機(jī)匣因使用過程中變形嚴(yán)重而需更換機(jī)匣。一般認(rèn)為，鍛件的組織均勻性對(duì)機(jī)匣變形影響較大，鍛件組織得到均勻控制，就降低了零件的變形。

1 零件結(jié)構(gòu)

某發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣結(jié)構(gòu)為環(huán)形結(jié)構(gòu)，如圖1a 所示，機(jī)匣鍛件一般采用GH738 環(huán)形鍛件，鍛件圖如圖1b所示。GH738 合金變形溫度范圍窄、變形抗力大，且該合金對(duì)變形溫度、變形速率以及熱處理溫度等敏感，同時(shí)棒材組織均勻性對(duì)鍛件的遺傳性較大，主要成分對(duì)其強(qiáng)化的影響也很大，如果這些因素控制不當(dāng)，鍛件容易出現(xiàn)混晶和力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)的情況。因此鍛件的組織均勻性和性能控制顯得尤為重要。

圖1 機(jī)匣及鍛件示意圖

為保障GH738 合金機(jī)匣鍛件的組織均勻，力學(xué)性能達(dá)標(biāo)，以及加工的零件滿足設(shè)計(jì)的要求，擬采用如下實(shí)施方案：通過GH738 合金機(jī)匣鍛件熱加工工藝窗口的確定，輔以計(jì)算機(jī)有限元數(shù)值模擬的技術(shù)，開展鍛件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、鍛前棒材加熱溫度選擇研究、鍛件冷卻方式選擇研究和鍛件變形試驗(yàn)研究、制定GH738 合金機(jī)匣鍛件的軋制、熱處理等工藝并進(jìn)行試制鍛件的驗(yàn)證和評(píng)估。

2 問題分析

由于GH738合金化程度高、變形溫度范圍窄、變形抗力大、熱軋過程中組織易長(zhǎng)大、鍛件的組織和性能較難控制，加之某機(jī)匣為大直徑薄壁件且剛性差，鍛件存在如下問題。

（1）鍛件組織不均勻問題。存在著成形困難、組織不均勻等問題，如果軋制工藝和熱處理工藝控制不當(dāng)也會(huì)出現(xiàn)超聲波探傷底損超標(biāo)和混晶（圖2）等問題。

圖2 GH738 合金鍛件的混晶組織

（2）鍛件強(qiáng)度不合格或富裕量小的問題。鍛件易存在強(qiáng)度不合格或富裕量小的問題，其原因主要與熱處理制度有很大關(guān)系。因此需匹配合理的熱處理制度，保障鍛件的強(qiáng)度合格。

（3）零件加工易變形，精密尺寸公差難以保證的問題。某機(jī)匣為大直徑薄壁件，剛性差，部分尺寸的平面度和圓度要求較嚴(yán)。零件的變形與鍛件自身所帶的殘余應(yīng)力較大有關(guān)，因此盡可能均勻鍛件的殘余應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)零件的變形控制。

3 鍛件優(yōu)化改進(jìn)研究

3.1 鍛件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過對(duì)機(jī)匣鍛件熱加工工藝窗口以及脹形工藝的確定，輔以計(jì)算機(jī)有限元數(shù)值模擬的技術(shù)，完成鍛件軋制成形過程數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化，確定最佳坯料尺寸，芯輥進(jìn)給量及進(jìn)給速度、多火次變形量分配等關(guān)鍵工藝參數(shù)，優(yōu)化后的鍛件形狀如圖3 所示，鍛件尺寸減小，材料利用率更高，更利于組織均勻化。

圖3 改進(jìn)鍛件示意圖

3.2 鍛前棒材加熱溫度選擇研究

在棒材上切取試樣，進(jìn)行空燒試驗(yàn)，涉及5 個(gè)溫度（1000℃～1040℃），通過不同溫度保溫后研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，γ′相發(fā)生溶解導(dǎo)致其含量減少。

3.3 鍛件冷卻方式選擇研究

為研究不同冷卻方式對(duì)冷卻過程晶粒長(zhǎng)大的影響，研究了在1020℃保溫相同0.5h 后進(jìn)行空冷、油冷和水冷下的組織如圖4 所示。從不同冷卻方式冷卻后的組織可以看出，空冷、油冷和水冷后的組織基本上沒有較大的卻別，從而可以推出，冷卻方式對(duì)某合金機(jī)匣鍛件加熱過程中的組織基本上沒有影響。

圖4 不同冷卻方式下的組織

3.4 鍛件變形試驗(yàn)研究

采用直徑100mm 高100mm 的錐形試樣在300t液壓機(jī)上進(jìn)行多火次近等溫壓縮試驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，制定了變形試驗(yàn)方案（見表1），進(jìn)行觀察組織演化規(guī)律。

表1 試樣的變形試驗(yàn)方案

通過變形試驗(yàn)結(jié)合試驗(yàn)，進(jìn)行4 種變形溫度組合、3 種變形量組合，共12 種組合，每種組合各做5個(gè)試樣，得出了不同溫度變形條件下錐形樣中不同應(yīng)變范圍處所對(duì)應(yīng)的鍛態(tài)組織，從均勻性的角度，變形溫度組合1050+1050℃、變形量組合20%+40%更易于獲得均勻的組織。

4 鍛件優(yōu)化改進(jìn)評(píng)估

通過鍛件結(jié)構(gòu)優(yōu)化和鍛造工藝試驗(yàn)研究、改進(jìn)，改進(jìn)后的鍛件工藝如圖5 所示，制造出機(jī)匣鍛件，鍛件力學(xué)性能合格，對(duì)鍛件的高倍組織和殘余應(yīng)力進(jìn)行評(píng)估。

圖5 工藝路線圖

4.1 鍛件的高倍組織

從鍛件4 個(gè)部位取樣，取樣位置見圖6，高倍組織見圖7，最右端A 部位的平均晶粒度約為7.7 級(jí)（平均晶粒直徑約24μm），最大的個(gè)別孤立晶約為4.0 級(jí)，組織均勻；右上部B 部位的平均晶粒度約為7.1 級(jí)，組織均勻；左下部C 位置的平均晶粒度約為7.6 級(jí)，組織均勻；最左端D 位置的平均晶粒度約為7.7 級(jí)，最大的個(gè)別孤立晶約為4.0 級(jí)，組織均勻。

圖6 取樣位置示意圖

圖7 鍛件不同部位的高倍組織

4.2 鍛件殘余應(yīng)力測(cè)量

鍛件進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試方案選擇四個(gè)端面（包括左端面、右端面、內(nèi)環(huán)面、外環(huán)面）進(jìn)行測(cè)試，如圖8 所示，每個(gè)位置周向均布測(cè)量8 點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果見圖9，可以看出殘余應(yīng)力周向分布均勻性較好。

圖8 鍛件殘余應(yīng)力測(cè)試位置圖

圖9 鍛件殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語

本文以某GH738 機(jī)匣鍛件為例，一般采用環(huán)形鍛件，分析了鍛件存在的問題，針對(duì)鍛件結(jié)構(gòu)通過數(shù)值仿真優(yōu)化鍛件結(jié)構(gòu)，針對(duì)鍛件工藝開展試樣級(jí)的改進(jìn)試驗(yàn)研究，優(yōu)化鍛件工藝后制造出機(jī)匣鍛件，鍛件力學(xué)性能合格，對(duì)鍛件的高倍組織和殘余應(yīng)力進(jìn)行評(píng)估，鍛件組織均勻性較好，具有一定的參考價(jià)值。