GH4141大錐度噴嘴內(nèi)支撐環(huán)鍛造工藝研究

項(xiàng)春花，王光宇，林凌，張?jiān)姄P(yáng)，顏開群，王攀智

貴州航宇科技發(fā)展股份有限公司 貴州貴陽 550081

1 序言

GH4141大錐度噴嘴內(nèi)支撐環(huán)是異形鍛件，其形狀復(fù)雜，為非對稱結(jié)構(gòu)，斜度為45°～55°，采用傳統(tǒng)的矩形件鍛造與機(jī)械加工方法，雖然鍛造方法簡單，但對材料的利用率大大降低，又因RENE41的價(jià)格昂貴而使成本劇增[1]。因此，為提高產(chǎn)品的材料利用率，降低產(chǎn)品的鍛造成本，設(shè)計(jì)出與該產(chǎn)品輪廓接近的異形鍛件具有重要意義[2]。本文針對這一問題，以前期模擬試驗(yàn)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出完整的工藝流程，經(jīng)過多次鍛造后再經(jīng)機(jī)械加工得出成品，并通過對比分析鍛件前后晶粒度來判斷鍛件的性能。

2 鍛件特點(diǎn)

1）GH4141是沉積硬化型鎳基變形高溫合金，在650～950℃溫度內(nèi)，具有高的拉伸和持久蠕變強(qiáng)度，以及杰出的抗氧化功能。與GH4169相比，G H4141使用溫度范圍更寬，廣泛適用于制造在870℃以下要求有高強(qiáng)度，以及在980℃以下要求抗氧化的航空航天發(fā)動機(jī)高溫零部件[3]。該鍛件的組織性能要求較高，晶粒度要求3級或更細(xì)且要求均勻，主要性能有高溫拉伸、硬度及晶粒度等。

2）該合金變形抗力大，鍛造溫度范圍更窄，若鍛造溫度低，則材料容易出現(xiàn)表面裂紋；若鍛造溫度高，則鍛件的性能和晶粒組織不能滿足要求，流動性較差，給鍛件成形帶來困難。

3）從鍛件形狀看，鍛件大頭外徑為869mm，小頭內(nèi)徑為484mm，如圖1所示。鍛件最大位置斜度約45°，屬于大錐度形狀，需進(jìn)行胎模掰形并整形，從鍛件的體積分布看（見圖2），鍛件小頭端料小，大頭端料大，故鍛件在成形過程中需進(jìn)行大頭端聚料。從鍛件尺寸及中間矩形坯料壁厚考慮，考慮常規(guī)掰形方案模具數(shù)量多、火次多，且在掰形階段高度容易拉料等問題，結(jié)合以前成形方案的經(jīng)驗(yàn)，該鍛件在成形過程中使用定制胎膜預(yù)成形方法進(jìn)行預(yù)制坯，通過大頭端面局部聚料方法成形。鍛件基礎(chǔ)信息見表1。

表1 鍛件基礎(chǔ)信息

圖1 鍛件規(guī)格尺寸

圖2 鍛件體積分布

3 鍛造工藝設(shè)計(jì)與模擬

根據(jù)鍛件形狀，初步設(shè)計(jì)鍛件生產(chǎn)過程為鐓粗、沖孔、矩形預(yù)軋、異形終軋和定制胎膜預(yù)成形，并對胎模掰斜聚料進(jìn)行模擬，如圖3所示。

圖3 胎模成形過程模擬

從模擬情況看，坯料經(jīng)過預(yù)成形工序，過程簡單，火次少，鍛件成形過程貼膜良好，尺寸滿足設(shè)計(jì)圖樣要求。

4 成形過程

4.1 原材料

鍛件原材料采用撫順特殊鋼股份有限公司提供的Rene41高溫合金，規(guī)格為φ250mm，化學(xué)成分見表2。交付狀態(tài)為鍛造車光，試樣狀態(tài)為退火＋固溶＋時效態(tài)，具體性能見表3。

表2 原材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表3 原材料性能

4.2 工藝流程

1）為保證鍛件的最終晶粒度在3級或更細(xì)且晶粒均勻，鍛件的力學(xué)性能滿足相應(yīng)的規(guī)范要求，將坯料的制坯加熱溫度定在1080～1120℃，成形溫度定在1000～1065℃，并且在鍛造過程中使用包套的方法，減小溫降，減少鍛造過程中裂紋的產(chǎn)生，為得到均勻的組織和滿足要求的力學(xué)性能提供了保障。

2）具體工藝路線：下料→鐓粗、沖孔→預(yù)軋、平端面→預(yù)軋→預(yù)軋→終軋→脹形→鍛檢→高倍檢查→預(yù)成形→鍛檢→預(yù)成形→鍛檢→預(yù)成形→鍛檢→高倍檢查→預(yù)成形→鍛檢→成形→鍛檢→高倍檢查→退火＋固溶→高倍檢查→機(jī)械加工→理化檢測。

3）按上述工藝方案試制出的鍛件，其外形良好，鍛件各部位均能夠填充模具型腔，鍛件成形形狀如圖4所示。

圖4 鍛件成形形狀

4）分別在軋制完成后與成形后檢測端面晶粒度，與未鍛造前晶粒度相比，鍛件的原始晶粒度為3～6級，軋制完成后存在約60%的4.5～5級晶粒，約40%的9.5～10級細(xì)晶，鍛造過程變形較為均勻，晶粒度滿足規(guī)范要求，預(yù)成形期間，由于主要對大端面進(jìn)行變形掰斜，因此大端與小端晶粒度存在差異，小端為6～7級，大端為7～8級，存在約30%的9～10級細(xì)晶，后續(xù)通過熱處理改善使鍛件整體晶粒度均勻。

5）熱處理制度如下。

退火：（1079±14）℃×（30～35）min，風(fēng)冷。

固溶：（1066±14）℃×（30～35）min，風(fēng)冷。

6）將成形后鍛件轉(zhuǎn)機(jī)械加工去除毛邊后，劃線檢測鍛件尺寸，具體劃線檢測要求如圖5所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 確認(rèn)位置直徑（mm）

從表4可看出，與名義尺寸相比，內(nèi)徑與外徑整體在名義尺寸附近偏離0～3mm，在公差范圍內(nèi)，滿足工藝要求。

4.3 組織、性能分析

經(jīng)機(jī)械加工后做全截面晶粒度檢測，圖6所示為大頭端與小頭端的顯微組織。從圖6可看出，大頭端晶粒度在6.5～7級，小頭端平均晶粒度在6～7級，且存在個別粗晶，約4級，原因是在鍛造過程中，小頭端變形量小，導(dǎo)致個別晶粒長大。但大小頭晶粒度差距不大，晶粒度均勻，且滿足規(guī)范要求。與未熱處理之前相比，細(xì)晶消除，整體晶粒度均勻，力學(xué)性能得到大幅改善。

5 結(jié)束語

1）從模擬情況看，坯料經(jīng)過預(yù)成形工序，過程簡單，鍛件成形過程貼膜良好，尺寸滿足設(shè)計(jì)圖樣要求。

2）經(jīng)過多次鍛造成形后，劃線檢測內(nèi)外徑尺寸，大頭端出現(xiàn)內(nèi)徑多肉、外徑偏小的情況，但鍛件尺寸滿足公差要求。

3）鍛件前后晶粒度變化明顯，軋制完成后晶粒度整體較為均勻且明顯細(xì)化，約60%的4.5～5級晶粒，約40%的9.5～10級細(xì)晶，力學(xué)性能因此大大提高，成形后晶粒度大頭端與小頭端相比，大頭端更細(xì)，熱處理后得以改善。

4）經(jīng)機(jī)械加工后進(jìn)行全截面晶粒度檢測，結(jié)果整個截面晶粒度均勻，達(dá)到6.5～7級，滿足規(guī)范要求。