GH4169合金支撐錐壁鍛件的高溫性能分析研究

李松林 王夢(mèng)寒 王周田 周文武

(1.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400044；2.中國第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，四川618000)

收稿日期：2021-08-21

基金項(xiàng)目：綠色制造系統(tǒng)集成化項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：2018272106。

作者簡介：李松林(1997—)，男，重慶大學(xué)，在讀研究生，研究方向?yàn)榻饘偎苄猿尚巍?/p>

錐壁類零件是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)重要的連接與傳動(dòng)部件，其內(nèi)側(cè)與旋轉(zhuǎn)軸相連，外側(cè)固定在渦輪盤或風(fēng)扇盤上，在工作過程中受力及溫度分布存在較大差異性，而且由于在高溫條件下工作，錐壁類鍛件必須具備耐高溫、高強(qiáng)度、抗腐蝕以及抵抗蠕變變形的能力。因此，具備高強(qiáng)度、高耐腐蝕性、高抗氧化性等良好性能的高溫合金是成形錐壁類鍛件的重要材料[1-2]。

GH4169是—種Nb強(qiáng)化的沉淀硬化型鎳基高溫合金，具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能。GH4169合金的力學(xué)性能對(duì)成形工藝的控制具有強(qiáng)相關(guān)性，成形工藝控制不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生粗晶、混晶等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的疲勞性能、持久性能和沖擊韌性等。在鍛造成形GH4169合金鍛件時(shí)，通過鍛造及熱處理等熱加工工藝的控制，得到理想的合金晶粒大小及δ相、γ"相、γ'相的形貌、分布和含量，最終實(shí)現(xiàn)鍛件組織與性能的控制[3]。

本文根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了低壓渦輪轉(zhuǎn)子支撐錐壁鍛件成形工藝，并研究了工藝參數(shù)對(duì)支撐錐壁成形性能的影響，得到了支撐錐壁鍛件性能不合格的原因，為之后的錐壁類鍛件工藝優(yōu)化研究，提供了重要的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料及方法

低壓渦輪轉(zhuǎn)子鍛件支撐錐壁薄，高度及直徑較大，形貌相對(duì)簡單，鍛件毛坯簡圖如圖1所示。

圖1 支撐錐壁鍛件毛坯圖Figure 1 Blank drawing of support cone wall forgings

根據(jù)錐壁類鍛件生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了支撐錐壁的成形工藝流程：下料→墩餅→加工孔→終鍛(使用800 MN壓機(jī))→后處理。鍛件材料為GH4169，下料重量為662 kg，下料規(guī)格為?330 mm×940 mm，鍛造溫度為1010℃，將餅坯高度鐓至470 mm，終鍛欠壓量為11 mm。原材料晶粒組織如圖2所示，鍛件生產(chǎn)過程照片見圖3。

(a)?330 mm棒料中心(b)?330 mm棒料邊緣(c)?350 mm棒料中心(d)?350 mm棒料邊緣

圖3 支撐錐壁鍛件生產(chǎn)過程照片F(xiàn)igure 3 Photo of production process of support cone wall forgings

按MAS7001標(biāo)準(zhǔn)對(duì)支撐錐壁鍛件進(jìn)行了室溫拉伸、高溫拉伸、高溫持久、蠕變以及高低倍組織等理化性能檢測(cè)，取樣方案如圖4所示，檢驗(yàn)結(jié)果如圖5及表1、表2所示。檢驗(yàn)結(jié)果表明，低倍組織滿足要求，E處取樣高倍組織較為粗大，僅達(dá)到8級(jí)左右，其余部位晶粒度均達(dá)到10級(jí)以上(見圖5)；支撐錐壁鍛件的室溫拉伸、高溫拉伸性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(表1)；支撐錐壁鍛件在650℃下的持久性能及蠕變性能不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(見表2)。為了解決部分高倍組織粗大、高溫持久及蠕變性能不達(dá)標(biāo)的問題，對(duì)支撐錐壁件的成形工藝參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。

(a)試樣環(huán)取樣圖(b)鍛件力學(xué)性能取樣圖(c)鍛件組織取樣圖

(a)低倍組織(b)A處組織(c)B處組織(d)C處組織(e)D處組織(f)E處組織(g)F處組織

(a)B1組織(b)B1中δ相(c)B2組織(d)B2中δ相

表1 第一批支撐錐壁鍛件室溫及高溫拉伸性能檢測(cè)結(jié)果Table 1 Tensile properties test results at roomtemperature and high temperature of the firstbatch of support cone wall forgings

表2 第一批支撐錐壁鍛件高溫持久性能及蠕變性能檢測(cè)結(jié)果Table 2 High temperature endurance and creepproperties test results of the first batch of supportcone wall forgings

2 工藝參數(shù)研究

針對(duì)第一批支撐錐壁鍛件成形持久、蠕變及高倍不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的問題，第二批低壓渦輪轉(zhuǎn)子支撐錐壁鍛件采用原材料規(guī)格為?350 mm×835 mm，餅坯高度、鍛造溫度及欠壓量保持不變。共生產(chǎn)兩件，編號(hào)分別為B1、B2，原材料晶粒組織如圖2所示。從圖2可以看出，?350 mm棒料初始晶粒尺寸大于?330 mm棒料，這是由于在同種冶金工藝過程中，棒料尺寸越大，凝固時(shí)冷卻速度越慢，晶粒長大時(shí)間越多，最終導(dǎo)致尺寸較大的棒料晶粒尺寸相對(duì)較大。

對(duì)第二批鍛件試環(huán)進(jìn)行了理化檢測(cè)，結(jié)果如圖6、表3和表4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，第二批支撐錐壁鍛件試樣環(huán)部位的晶粒度達(dá)到11級(jí)以上(見圖6)，室溫拉伸及高溫拉伸性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(見表3)，但高溫持久性能及蠕變性能仍低于MAS70001標(biāo)準(zhǔn)要求(見表4)。

表3 第二批支撐錐壁鍛件室溫及高溫拉伸性能檢測(cè)結(jié)果Table 3 Tensile properties test results at room temperature and high temperature ofthe second batch of support cone wall forgings

表4 第二批高溫持久性能及蠕變性能檢測(cè)結(jié)果Table 4 The second batch of high temperature endurance and creep properties test results ofthe second batch of support cone wall forgings

第二批試樣環(huán)部位持久時(shí)間較低是因?yàn)榫Я３叽邕^小，導(dǎo)致單位體積內(nèi)的晶界較多，并析出大量δ相，如圖6所示。在高溫條件下，晶界隨應(yīng)力作用而產(chǎn)生滑動(dòng)，導(dǎo)致一次γ′相脫落后形成孔洞，隨著孔洞逐漸積累長大，最終發(fā)生沿晶斷裂。在高溫和應(yīng)力的雙重作用下，晶界原子產(chǎn)生劇烈的運(yùn)動(dòng)，并且由于晶粒越細(xì)小，單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)量越多，即晶界數(shù)量越多。大量晶界滑動(dòng)會(huì)增加塑性變形程度，這將進(jìn)一步促進(jìn)裂紋的產(chǎn)生，從而降低試樣的持久壽命，最終導(dǎo)致第二批鍛件試樣環(huán)的持久性能不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。因此，鍛件的晶粒度并非越小越好，需要控制在合理范圍內(nèi)。

持久及蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果表明，采用?350 mm棒材成形時(shí)，B1、B2兩件支撐錐壁鍛件試樣環(huán)的高溫持久性能及蠕變性能相差較大(見表4)，說明采用?350 mm棒材成形的穩(wěn)定性較差，對(duì)后續(xù)鍛件的產(chǎn)品合格率存在極大的影響。因此，應(yīng)采用?330 mm棒材進(jìn)行支撐錐壁鍛件生產(chǎn)。

對(duì)第一批支撐錐壁鍛件生產(chǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在鍛件試環(huán)部位變形量較大，而中心部位變形量小，模擬結(jié)果如圖7所示。

(a)坯料定位(b)終鍛(c)等效應(yīng)變場(chǎng)(d)溫度場(chǎng)

結(jié)合圖4、圖5及圖7進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變?cè)叫?，組織越粗大；反之，應(yīng)變?cè)酱螅M織越細(xì)小。從圖7(c)(d)中可以看出，E試樣塊取樣位置處的鍛件應(yīng)變值較小，且變形后溫度較低，僅940℃左右，只存在部分再結(jié)晶，最終導(dǎo)致組織粗大。而D試樣塊取樣位置處雖然應(yīng)變值較小，但其變形后溫度較高，在1000℃以上，整個(gè)變形過程中，該晶界處產(chǎn)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使得再結(jié)晶區(qū)域不斷形核，完全取代了原有晶粒區(qū)域，最終保證該處晶粒尺寸較小[5]。因此，在后續(xù)研究中考慮升高鍛造溫度以降低E處晶粒度尺寸。

綜上所述，鍛件變形量及溫度分布不均是導(dǎo)致第一批鍛件產(chǎn)品性能不合格的主要原因，過大的變形量會(huì)導(dǎo)致晶粒度過小，促進(jìn)裂紋產(chǎn)生，降低鍛件高溫持久性能；變形量過小及變形溫度過低會(huì)導(dǎo)致鍛件出現(xiàn)晶粒粗大現(xiàn)象，因此保證鍛件變形均勻性對(duì)保證鍛件質(zhì)量具有決定性意義。

為得到變形均勻的支撐錐壁鍛件，對(duì)圖1所設(shè)計(jì)的鍛件毛坯圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)由于鍛件截面尺寸變化大，各部位在模鍛成形時(shí)變形不夠均勻，局部存在變形死區(qū)，而試環(huán)部位變形超過了65%，這就造成鍛件試環(huán)部位晶粒過細(xì)，如圖5(b)所示，導(dǎo)致了鍛件試樣環(huán)部位持久性能不合，在后續(xù)設(shè)計(jì)中考慮加入預(yù)鍛設(shè)計(jì)，解決應(yīng)變分布不均的現(xiàn)象。

3 結(jié)語

(1)試環(huán)部位變形量過大，從而導(dǎo)致其晶粒度過小，這會(huì)促進(jìn)裂紋產(chǎn)生，從而降低鍛件高溫持久性能，使得鍛件持久性能不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；

(2)鍛件變形量過小及溫度過低會(huì)導(dǎo)致晶粒粗大，需合理提高變形溫度；

(3)?350 mm棒材穩(wěn)定性較差，對(duì)后續(xù)鍛件的生產(chǎn)存在極大的影響，需采用?330 mm棒材進(jìn)行支撐錐壁鍛件生產(chǎn)；

(4)鍛件毛坯圖截面尺寸變化大，各部位在模鍛成形時(shí)變形不夠均勻，需要對(duì)鍛件結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，可加入預(yù)鍛設(shè)計(jì)。