羅恒軍 謝 靜 程 槿

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)萬航模鍛廠，四川618013)

GH4169合金已經(jīng)成為我國航空和航天工業(yè)應(yīng)用的重要結(jié)構(gòu)材料，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤、壓氣機(jī)盤等受力轉(zhuǎn)動(dòng)件大都采用GH4169合金制造?？刂艷H4169合金鍛件質(zhì)量的穩(wěn)定性已成為發(fā)動(dòng)機(jī)正常批量生產(chǎn)和安全應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。因這些零件在工作過程中承受很高的蠕變載荷和交變應(yīng)力，故要求其鍛件的晶粒細(xì)小而均勻。我們以低壓一級(jí)渦輪盤為典型件進(jìn)行生產(chǎn)試制，并結(jié)合有限元模擬分析，通過對(duì)渦輪盤鍛件內(nèi)部晶粒度的分析和探討，以提高對(duì)GH4169合金鍛件的控制能力。

圖1 低壓一級(jí)渦輪盤典型鍛件形狀示意圖Figure 1 The sketch map of low pressure one class turbine disc forging

1 試制及模擬過程

低壓一級(jí)渦輪盤典型鍛件形狀見圖1，它主要由中心連皮、輪轂、輻板和輪緣4部分構(gòu)成。

圖2 原材料顯微組織 ×100Figure 2 The microstructure of raw material ×100

鍛件試制用原材料規(guī)格?240 mm×520 mm，晶粒度5.5級(jí)，見圖2。原材料檢驗(yàn)合格。

鍛件生產(chǎn)路線：下料→倒角→包套→加熱→鐓餅→車端面探傷、腐蝕→機(jī)加?90 mm定位孔→加熱→模鍛→水冷。

鐓餅在50 MN油壓機(jī)上進(jìn)行，鐓餅后車餅坯兩端面，然后進(jìn)行探傷和現(xiàn)場(chǎng)晶粒度檢查，餅坯晶粒度評(píng)定為6級(jí)，見圖3。

模鍛在1MJ對(duì)擊錘上進(jìn)行，一火成形，成形后鍛件進(jìn)行水冷。

采用Deform-2D軟件對(duì)模鍛過程進(jìn)行有限元模擬，模擬參數(shù)為：坯料材料為GH4169，模具材料為DINX5CrNiMo1810，始鍛溫度1 000℃。

圖3 餅坯顯微組織(現(xiàn)場(chǎng)高倍) ×100Figure 3 The microstructure of pancake (high power at site) ×100

模擬初始條件：轉(zhuǎn)運(yùn)30 s，模具預(yù)熱溫度為450℃，環(huán)境溫度為20℃。

模擬邊界條件：工件與模具的換熱系數(shù)為4 000 W/(m2·K)(錘擊階段)和400 W/(m2·K)(錘擊間隙階段)，工件與周圍環(huán)境間換熱系數(shù)為20 W/(m2·K)。工件與模具接觸面摩擦因子為0.2。

模鍛過程總共打擊18錘，每錘錘擊能級(jí)都為0.5，錘擊間隙為8 s。

2 結(jié)果分析

圖4所示為低壓一級(jí)渦輪盤鍛件的顯微組織，整個(gè)盤件內(nèi)平均晶粒度為9～10級(jí)。輪轂上下端部晶粒度為10級(jí)，包含少量8級(jí)晶粒，輪轂中心部位的晶粒度為9級(jí)。

從低壓一級(jí)渦輪盤鍛件幾何特征及成形過程來看，輪轂部位晶粒度的控制是一個(gè)難點(diǎn)。模鍛過程中，輪轂部位主要以金屬的反擠以及少量的軸向壓縮方式成形。在整個(gè)變形過程中，輪轂部位的變形程度相對(duì)較小，尤其是輪轂中心部位變形更小，屬于難變形區(qū)，且在模鍛過程中，若錘擊速度過快，該部位溫升很快，從而容易導(dǎo)致晶粒長大。由于以上幾種因素的共同作用，使得輪轂部位容易出現(xiàn)粗晶或混晶組織。

圖5所示為模擬成形后鍛件內(nèi)等效應(yīng)變和溫度的分布情況。從圖中可以看出，鍛件的中心連皮、腹板以及大部分輪緣和輪轂部分的等效應(yīng)變值大于0.7，且溫度基本上大于960℃。因此這部分區(qū)域的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶可充分完成，顯微組織是較好程度的完全再結(jié)晶組織。但在輪轂中心部位，終鍛溫度在1 000～1 010℃之間，溫升較快，且該區(qū)域等效應(yīng)變值為0.45左右，變形程度較小，從而導(dǎo)致晶粒較為粗大。輪轂上下端部，由于與模具接觸，形成激冷層，且變形程度也相對(duì)較小，導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)少量的混晶組織。

圖4 低壓一級(jí)渦輪盤鍛件的晶粒組織 ×100Figure 4 The microstructure of low pressure one class turbine disc forging ×100

圖5 模鍛結(jié)束時(shí)鍛件內(nèi)等效應(yīng)變和溫度的分布情況Figure 5 The distribution of equivalent strain and temperature of the forging after processing

3 控制和細(xì)化晶粒度的措施

(1)由于1MJ對(duì)擊錘模鍛成形時(shí)打擊速度較快，熱效應(yīng)明顯，且一級(jí)渦輪盤鍛件的輪轂中心部位為難變形區(qū)，散熱也比較困難，容易導(dǎo)致晶粒長大。因此為保證獲得均勻細(xì)小的組織，模鍛時(shí)要求嚴(yán)格控制各次錘擊的輕重并適當(dāng)延長錘擊間隙，嚴(yán)禁連續(xù)重?fù)簟?/p>

(2)進(jìn)一步優(yōu)化坯料設(shè)計(jì)，增加鍛件輪轂部位的變形量，以改善該區(qū)域的組織狀況，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。

[1] 莊景云，等.編著.變形高溫合金GH4169鍛造工藝[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

[2] 劉東，羅子健.GH4169合金鍛件的混晶組織.熱加工工藝，2004，(9).

[3] 張海燕，張士宏，張偉紅，程明.GH4169合金渦輪盤熱模鍛工藝的優(yōu)化研究.塑性工程學(xué)報(bào)，2007，(14).