程 明，葉能永，張士宏

（中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧沈陽110016）

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GH4169合金主要塑性加工技術(shù)的研究進(jìn)展

程 明，葉能永，張士宏

（中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧沈陽110016）

摘 要：簡(jiǎn)要介紹了近年來GH4169合金擠壓、模鍛和軋制等主要塑性加工技術(shù)研究現(xiàn)狀，總結(jié)歸納了GH4169合金在不同成形方式下的變形規(guī)律及其成形問題與優(yōu)化措施。目前，GH4169合金的塑性加工技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，正朝著晶粒細(xì)小、組織均勻、構(gòu)件尺寸精密化的方向發(fā)展。但同時(shí)也存在一些問題有待進(jìn)一步研究，諸如缺乏對(duì)冷、熱變形后殘余應(yīng)力分布規(guī)律以及殘余應(yīng)力釋放過程中構(gòu)件尺寸變化規(guī)律等的認(rèn)識(shí)；在組織控制方面，缺少有關(guān)δ相含量及其形貌與再結(jié)晶程度之間關(guān)系的定量描述。

關(guān)鍵詞：GH4169；擠壓；鍛造；冷軋；組織

第一作者：程 明，男，1976年生，副研究員，碩士生導(dǎo)師

1 前 言

GH4169合金（Inconel 718）是一種 Fe-Ni-Cr基沉淀強(qiáng)化型的變形高溫合金［1］。在-253～650℃之間具有良好的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、持久強(qiáng)度，同時(shí)具有良好的抗腐蝕、抗輻照、熱加工及焊接性能，因而被廣泛用于航空、航天、化工、能源等領(lǐng)域［2］。GH4169合金以體心立方結(jié)構(gòu)γ″相（Ni3Nb）作為強(qiáng)化相，以面心立方結(jié)構(gòu)γ′相（Ni3（Al，Ti））作為輔助強(qiáng)化相，而 δ相（Ni3Nb）則作為γ″相的平衡相存在，適量的δ相可消除合金的缺口敏感性，減小應(yīng)力集中，也可在熱加工或熱處理過程中起到釘扎晶界，阻礙其遷移，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化的作用。晶粒尺寸和析出相含量對(duì)GH4169合金的力學(xué)、疲勞及蠕變性能均有重要影響。合金疲勞強(qiáng)度隨晶粒尺寸的增加而降低，但是蠕變性能則隨晶粒尺寸的增加和δ相的析出而有所提高。Du和Deng等［3-5］研究了細(xì)晶（10μm）和粗晶（90μm）對(duì)Inconel 718合金的力學(xué)和高周疲勞性能的影響，研究結(jié)果表明隨著晶粒尺寸的減小，合金屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增大，細(xì)晶合金的強(qiáng)度約為粗晶合金強(qiáng)度的1.1倍；并且在相同循環(huán)次數(shù)（107）下，細(xì)晶合金的疲勞強(qiáng)度是粗晶合金疲勞強(qiáng)度的1.6倍。因此，晶粒細(xì)化有助于GH4169合金強(qiáng)度和疲勞性能的提高。為此，美國(guó)Allied-Signal公司針對(duì)δ相對(duì)晶界的釘扎作用提出了δ相時(shí)效處理工藝（DP工藝），即在熱加工前預(yù)析出一定量的δ相，在熱變形過程中阻礙晶粒長(zhǎng)大、實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化的目的。此外，δ相對(duì)合金強(qiáng)度的提高也有促進(jìn)作用。作者最新的研究表明，在室溫條件下，δ相含量與屈服強(qiáng)度提高幅度之間存在一定的線性關(guān)系，即δ相對(duì)GH4169合金屈服強(qiáng)度提高的貢獻(xiàn)隨其含量的增加而增大，但提高的幅度有限。

高溫條件下，GH4169合金的微觀組織和相析出對(duì)其熱加工工藝十分敏感，工藝參數(shù)控制不當(dāng)容易形成粗晶、混晶或魏氏體組織［6-7］。因此，針對(duì)GH416合金塑性加工（包括擠壓、鍛造、軋制）過程中微觀組織和相含量的控制一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。本文主要從擠壓、模鍛和軋制3個(gè)方面介紹目前國(guó)內(nèi)外GH4169合金盤類、葉片類、棒材、管材以及板材［8-10］的研究現(xiàn)狀，闡述不同塑性加工方式下存在的問題及解決措施。

2 擠壓技術(shù)

擠壓是一種將金屬材料放入模具型腔中，在一定壓力和速度下迫使金屬產(chǎn)生流動(dòng)，獲得所需截面形狀和尺寸的成形技術(shù)。由于材料在擠壓過程中受到三向壓應(yīng)力，其塑性變形能力可以得到充分發(fā)揮，零件的綜合性能和表面質(zhì)量好，因而擠壓技術(shù)可用于一些低塑性難變形金屬、合金管材、棒材和型材的制備。由于GH4169合金在變形過程中存在變形抗力大、高溫下塑性成形溫度區(qū)間窄的特點(diǎn)，以往對(duì)合金管材的加工多采用坯料→鉆孔→內(nèi)孔精磨→外表面拋光→多道次冷軋→探傷→性能檢測(cè)的工藝流程。由于采用了鉆孔方式，合金管材的生產(chǎn)效率低下、材料浪費(fèi)十分嚴(yán)重。近年來，作者研究團(tuán)隊(duì)通過近等溫?cái)D壓和特殊潤(rùn)滑技術(shù)成功制備了GH4169合金管坯，用擠壓代替了傳統(tǒng)的鉆孔，結(jié)合GJ35特殊潤(rùn)滑制備出了GH416合金精密管材［11］。與傳統(tǒng)的GH4169合金管材成形方式相比，生產(chǎn)效率可提高2倍以上，而生產(chǎn)成本可降低50%，并且在擠壓變形后，管材的組織更加致密，性能更加優(yōu)越。目前，此類管材已用于航天領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法被廣泛用于塑性成形領(lǐng)域。針對(duì)GH4169合金的擠壓工藝，王玨等［12］利用MSC.Superform討論了不同擠壓參數(shù)對(duì)合金管坯正擠壓過程的影響，認(rèn)為在擠壓速度100mm/s，模角20～30°，坯料溫度1 040～1 050℃條件下可制備出外徑108mm/內(nèi)徑82mm的管坯。此外，作者認(rèn)為模具對(duì)坯料有激冷作用，為了保證擠壓管材的組織均勻性，擠壓前需要將模具根據(jù)成形溫度加熱到350～500℃［13］。林好轉(zhuǎn)等［14］研究了擠壓速度和模具錐角對(duì)坯料成形過程中溫度的影響，結(jié)果表明當(dāng)擠壓速度為60mm/s時(shí)，坯料溫度會(huì)因變形熱而升高80℃左右；當(dāng)擠壓速度降低至1mm/s時(shí)，坯料溫度則會(huì)因外表面長(zhǎng)時(shí)間與模具接觸而降低80℃左右。同樣，增大模具錐角也會(huì)減小坯料的升溫幅度，當(dāng)錐角從45°增大到90°時(shí)，坯料溫升從84℃減小到53℃。同樣的變化趨勢(shì)也發(fā)生在型材的擠壓制備過程中。文永洪等［15］經(jīng)過對(duì)GH4169合金L形截面型材擠壓過程的分析發(fā)現(xiàn)，擠壓速度不僅對(duì)擠壓力有顯著影響，而且對(duì)坯料溫升也有很大作用，擠壓速度、坯料初始溫度、模具溫度三者，對(duì)坯料溫升的影響順序?yàn)?擠壓速度>坯料初始溫度>模具溫度，不同擠壓工藝參數(shù)對(duì)L形型材擠壓力和溫升的影響如表1所示，經(jīng)過工藝優(yōu)化，在擠壓速度50mm/s、坯料初始溫度1 060℃和模具溫度450℃的條件下對(duì)型材進(jìn)行擠壓時(shí)，可實(shí)現(xiàn)較小的溫升和擠壓力。

表1 擠壓工藝參數(shù)對(duì)溫升和擠壓力的影響［15］Table 1 Effects of processing parameters on the temperature rising and extrusion force［15］

另外，擠壓技術(shù)還可用于GH4169合金葉片的制坯工序。葉片制坯過程中，除了要保證其基本外形外，對(duì)不同部位的流線分布、晶粒尺寸等要求更高。然而，受限于GH4169合金對(duì)熱加工工藝參數(shù)的敏感性，葉片擠壓制坯過程中很容易出現(xiàn)粗晶、混晶等現(xiàn)象，影響葉片的最終性能。為此，齊廣霞等［16］利用Deform軟件耦合了變形-傳熱-組織演變，考察了不同壓下量和變形速率下葉片擠壓過程中再結(jié)晶機(jī)制的變化，結(jié)果表明當(dāng)壓下變形量小于6%時(shí)，由于未達(dá)到合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變，葉片變形區(qū)域以靜態(tài)再結(jié)晶和亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主，晶粒細(xì)化作用不明顯；當(dāng)壓下變形量大于12%時(shí)，變形區(qū)域則以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主，晶粒尺寸明顯減小，并且隨著變形速率的減小，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的程度越高，晶粒的細(xì)化效果越明顯。劉敏等［17］分析了某型號(hào)九級(jí)葉片擠壓制坯的微觀組織變化，如圖1所示。研究結(jié)果表明在坯料1 020℃、模具溫度為200℃、擠壓速度為60mm/s條件下葉身部位經(jīng)過凹模劇烈變形后發(fā)生了完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，其晶粒尺寸可達(dá)到14.5μm；而榫頭部位由于變形程度相對(duì)較低，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的程度相對(duì)較小，晶粒細(xì)化程度相對(duì)較低，其晶粒尺寸為29.3μm。但是，適當(dāng)提高擠壓溫度可減小各區(qū)域金屬流動(dòng)速度的差異，使得葉片擠后溫度的分布更加均勻，減小溫度對(duì)再結(jié)晶程度的影響。經(jīng)過對(duì)制坯工藝的優(yōu)化，最終GH4169合金葉片制坯工藝的優(yōu)化工藝參數(shù)為:始鍛溫度1 020℃，摩擦系數(shù)0.12，擠壓速度30mm/s［18］。

圖1 某型號(hào)擠壓的葉片坯料不同部位的微觀組織［17］:（a）榫頭變形區(qū)，（b）榫頭難變形區(qū)，（c）圓角靠近榫頭處，（d）圓角靠近葉身處，（e）葉身處Fig.1 Microstructures of the extrusion blade at different positions［17］:（a）deformation area of the blade tenon，（b）hard deformation area of the blade tenon，（c）round corner close to the blade tenon，（d）round corner close to the blade body，and（e）blade body

3 模鍛技術(shù)

模鍛是一種在模鍛錘或壓力機(jī)上用鍛模將金屬坯料通過鍛壓方式加工成所需形狀和尺寸的成形方式，具有變形量大、組織性能好、生產(chǎn)效率高、尺寸精確高、加工余量小、可鍛制形狀復(fù)雜等特點(diǎn)。利用該方法可實(shí)現(xiàn)少余量或無余量生產(chǎn)，機(jī)械加工可減少 90%［19-20］，尤其適用批量生產(chǎn)。模鍛技術(shù)在GH4169合金上的應(yīng)用主要是成形葉片和盤類構(gòu)件。目前，在美國(guó)和奧地利80～90%的葉片采用模鍛工藝，所用的鍛造工藝及設(shè)備如表2所示。我國(guó)也已經(jīng)擁有一批先進(jìn)的精鍛設(shè)備，不過只具備中小批量生產(chǎn)模鍛葉片的能力，其中以無錫透平葉片有限公司和西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司的生產(chǎn)水平較高［21］。

表2 葉片模鍛工藝及設(shè)備［20］Table 2 Technologies and equipments of die forging for blades［20］

在鍛造過程中，葉片各區(qū)域存在變形不均勻現(xiàn)象。以轉(zhuǎn)子葉片為例，葉片葉身處的變形程度可達(dá)到63～77%，而榫頭部位的變形程度只有16～22%，對(duì)于整個(gè)葉片而言，其變形范圍在16～77%，變形范圍跨度很大。因此，葉片在鍛造過程中容易出現(xiàn)以下兩類問題［22-25］:一是因金屬流動(dòng)產(chǎn)生折疊或模腔充不滿；二是各部位受變形程度、溫度和變形速率的影響，微觀組織不均勻。前者是由對(duì)實(shí)際鍛造過程中材料在模具型腔中的流動(dòng)規(guī)律不夠明確、坯料尺寸設(shè)計(jì)不合理等原因造成的。而后者主要是由于鍛造工藝參數(shù)的選擇或控制不當(dāng)所致。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者深入研究了不同鍛造工藝參數(shù)條件下GH4169合金微觀組織的演變。

鍛造工藝參數(shù)對(duì)合金組織的影響首先表現(xiàn)在對(duì)GH4169合金變形行為的影響上。850℃以上不同應(yīng)變速率條件下，GH4169合金進(jìn)行熱變形時(shí)的變形行為:變形初期，由于位錯(cuò)密度的增加，流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變的增加迅速增大，主要表現(xiàn)為加工硬化；當(dāng)流動(dòng)應(yīng)力達(dá)到峰值后，隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加流動(dòng)應(yīng)力逐漸減小，其軟化的機(jī)制主要是合金發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，其中再結(jié)晶程度與工藝參數(shù)之間的關(guān)系如圖2所示，應(yīng)變速率越低、變形溫度越高，合金的再結(jié)晶程度越高；最后，隨著應(yīng)變的繼續(xù)增大，流動(dòng)應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定［26-30］。從圖2可以看出，當(dāng)溫度在970～1 040℃、應(yīng)變速率小于0.1 s-1時(shí)，GH4169合金均有可能發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 （再結(jié)晶分?jǐn)?shù)0.95以上），如圖2粗線所圍區(qū)域。

圖2 真應(yīng)變1.2下動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度與熱加工工藝參數(shù)的關(guān)系［30］Fig.2 Relationship between dynamic recrystallization and hot deformation parameters［30］

葉片在鍛造過程中的等效應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度場(chǎng)分布情況如圖3所示［31-32］。從圖3可以看出，葉身處等效應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度明顯高于榫頭部位。鍛造過程中，葉身和葉根部位的等效應(yīng)變可達(dá)到3.4，而榫頭部位的等效應(yīng)變僅有2.2。同樣葉身處的應(yīng)變速率和溫度場(chǎng)可分別達(dá)到100 s-1和1 100℃，而榫頭部位只有17 s-1和1 010℃。

圖3 葉片鍛造過程中的等效應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度場(chǎng)分布［31］:（a）等效應(yīng)變，%（b）應(yīng)變速率，s-1（c）溫度，℃Fig.3 Strain，strain rate and temperature during die forging of blades:（a）equivalent strain，%；（b）strain rate，s-1；（c）temperature，℃

由于熱鍛工藝參數(shù)對(duì)合金再結(jié)晶過程的重要影響，等效應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度場(chǎng)等的變化帶來了葉片鍛后組織的變化。葉片模鍛過程中再結(jié)晶發(fā)生程度與最終平均晶粒尺寸之間的關(guān)系［31］如圖 4所示。由于葉身處的變形量、應(yīng)變速率和溫度較高，因此再結(jié)晶發(fā)生程度較高，其動(dòng)態(tài)再結(jié)晶百分?jǐn)?shù)可達(dá)75%，而在榫頭處，由于變形量、應(yīng)變速率和溫度均相對(duì)較低，其再結(jié)晶發(fā)生程度相對(duì)較低，只有40%～60%，如圖4a所示。葉片最終的晶粒尺寸如圖4b所示，葉身部位由于發(fā)生的再結(jié)晶程度較大，最終其平均晶粒尺寸較小，約為14μm；而榫頭處則存在一定程度的不均勻現(xiàn)象，其平均晶粒尺寸在18～25μm。對(duì)實(shí)際葉片不同區(qū)域的晶粒尺寸進(jìn)行測(cè)量，也證實(shí)了晶粒尺寸的這一變化規(guī)律。

圖4 葉片鍛造過程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)和平均晶粒尺寸［31］:（a）動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，%；（b）平均晶粒尺寸，μmFig.4 Dynamic recrystallization fraction and average grain size after die forging of blades［31］:（a）dynamic recrystallization fraction，%；（b）average grain size，μm

不同鍛造工藝條件葉片的力學(xué)性能如表3所示［22］。從表3可以看出，采用表3中不同的鍛造工藝，葉片的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均能達(dá)到技術(shù)要求，且不同鍛造工藝條件下的δ相均呈顆粒狀或短棒狀沿晶界分布。然而對(duì)其做進(jìn)一步晶粒度分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，只有在1 020℃頂鍛和1 000℃終鍛時(shí)，其榫頭中心區(qū)晶粒度達(dá)到6.5～8級(jí)，葉身晶粒度達(dá)9～10級(jí)，而其他鍛造工藝條件下均出現(xiàn)了不同程度的雙重晶、拉長(zhǎng)晶或扁晶的現(xiàn)象。

在GH4169合金熱變形過程中，除了直接受鍛造工藝參數(shù)的影響，變形前或變形過程中析出的δ相對(duì)其微觀組織也有重要影響。在一定溫度和變形量下，δ相的存在使得應(yīng)變速率敏感指數(shù)m增大，而應(yīng)變硬化系數(shù)n減小，并且使得GH4169合金的表觀激活能從455.434 kJ/mol增加到476.136 kJ/mol。主要表現(xiàn)為在變形初期，位錯(cuò)容易在δ相附近塞積，導(dǎo)致明顯的加工硬化，使得流動(dòng)應(yīng)力在很小的應(yīng)變條件下便可達(dá)到峰值應(yīng)力。隨后，δ相對(duì)再結(jié)晶過程的促進(jìn)作用，使得流動(dòng)應(yīng)力明顯降低，發(fā)生軟化。接著，δ相對(duì)晶界的釘扎作用抑制了晶粒長(zhǎng)大，使得晶粒得以細(xì)化。

表3 不同鍛造工藝試制葉片的力學(xué)性能［22］Table 3 Mechanical properties of blades by different die forging processes［22］

同樣，上述熱鍛工藝參數(shù)和δ相對(duì)GH4169合金微觀組織的影響也體現(xiàn)在盤類件的鍛造過程中。由于渦輪盤鍛件對(duì)晶粒度和均勻性有更高的要求，因此對(duì)鍛后的組織有嚴(yán)格要求，除低倍下不可有目視可見的疏松、針孔、裂紋、夾雜等外，還要求其平均晶粒度達(dá)到9～10級(jí)甚至更細(xì)，其最終力學(xué)性能指標(biāo)需滿足表4要求［33-34］。只有這樣才能保證渦輪盤的疲勞性能，否則，晶粒粗大或不均勻?qū)?dǎo)致合金的疲勞和持久性能降低，增加合金的缺口敏感性。

但是，受尺寸和幾何特征影響，渦輪盤鍛造也是一個(gè)復(fù)雜的成形過程，尤其是輪轂處晶粒均勻性的控制更是整個(gè)渦輪盤成形的關(guān)鍵［35-36］。以某GH4169合金渦輪盤為例［37］（如圖5所示），在鍛造過程中，輪轂處的金屬主要以反擠為主、伴隨少量軸向壓縮的方式成形。相對(duì)于其他區(qū)域，屬于難變形區(qū)，如圖5a所示，渦輪盤在鍛造過程中存在流線分布紊亂，有明顯的折疊現(xiàn)象。此外，由于工藝參數(shù)控制不當(dāng)，還會(huì)導(dǎo)致部分區(qū)域出現(xiàn)粗晶或混晶現(xiàn)象［38-39］，晶粒度低于ASTM 7級(jí)，如圖5b 中A區(qū)。此外，B和D區(qū)為輻板，由于與上、下模接觸時(shí)的冷模效應(yīng)與摩擦作用，兩區(qū)域金屬不易流動(dòng)，為變形死區(qū)，可能出現(xiàn)混晶現(xiàn)象，晶粒度約為ASTM 7～8級(jí)。而輪轂與輻板過渡圓角處G和輻板中心區(qū)D處由于變形量相對(duì)較大，再結(jié)晶程度較高，晶粒度可分別達(dá)到ASTM10～11和ASTM9～10級(jí)。上述問題通過建立組織均勻性函數(shù)［37，40］和正交設(shè)計(jì)方法［41～43］， 獲得坯料尺寸、坯料溫度、模具溫度和變形速率對(duì)渦輪盤成形后組織的影響，結(jié)果表明各工藝參數(shù)對(duì)GH4169合金渦輪盤鍛造后組織均勻性的影響大小為:坯料高度>模具溫度>變形速率>坯料內(nèi)徑>坯料溫度。對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定了在坯料高度120mm、模具溫度900℃、變形速度0.6mm/s、坯料內(nèi)徑324mm和坯料溫度1 000℃時(shí)，可實(shí)現(xiàn)金屬流線的合理分布 （如圖5c），降低渦輪盤各區(qū)域之間晶粒度差異。

表4 渦輪盤主要力學(xué)性能指標(biāo)［33-34］Table 4 Main mechanical property indexes of turbine disc［33-34］

圖5 某GH4169合金渦輪盤［37］:（a）截面示意圖，（b）優(yōu)化前流線分布，（c）優(yōu)化后流線分布Fig.5 Turbine disc of GH4169 alloy［37］:（a）section schematic diagram，streamline distribution（b）before optimization and（c）after optimization

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件使用溫度的不斷提高，研究人員逐漸將關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移到提高GH4169合金使用溫度上。研究表明合金中P和B的加入可成倍提高GH4169合金的持久和蠕變性能［44］。張志國(guó)等［45］在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了GH4169G，并對(duì)其塑性變形規(guī)律、鍛造工藝進(jìn)行了研究，表明合金中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.023 7%的P和0.009 6%的B后，合金的使用溫度由原來的650℃提高到680℃，盡管P和B的加入一定程度上降低了合金的熱塑性，縮小了其鍛造溫度范圍，但是采用1 100～1 110℃加熱、2火鍛造工藝、末火變形量大于30%和終鍛溫度高于920℃的鍛造工藝時(shí)仍可獲得組織均勻的鍛造棒材。

4 環(huán)軋技術(shù)

GH4169合金同樣可用于環(huán)件的軋制，但是我國(guó)的環(huán)件軋制技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍相對(duì)落后，環(huán)件的精確軋制技術(shù)基礎(chǔ)尚未建立，對(duì)于環(huán)件軋制的運(yùn)動(dòng)學(xué)、材料流動(dòng)規(guī)律、組織演化等問題仍有待深入研究。環(huán)件軋制是利用軋輥驅(qū)動(dòng)環(huán)件旋轉(zhuǎn)，并在徑向和軸向上實(shí)施軋制變形，環(huán)件直徑不斷增加，壁厚減小，截面逐漸成形的塑性加工方式。軋制過程中，控制徑向和軸向雙向變形量的瞬時(shí)分配關(guān)系 （軋制曲線）一直是環(huán)件軋制技術(shù)的核心問題，它不僅直接影響環(huán)件的尺寸精度，而且直接影響環(huán)件內(nèi)部參數(shù) （溫度、應(yīng)變速率、等效應(yīng)變等）的分布。劉東等［46］分析了不同類型軋制曲線對(duì)相同尺寸GH4169合金矩形截面環(huán)件雙向軋制過程中環(huán)件溫度、徑向增長(zhǎng)速率、雙向軋制力的影響，表明，“上凸型”軋制曲線有利于控制環(huán)件溫升，使得環(huán)件四個(gè)棱角部分的溫升降低；而 “下凹型”軋制曲線則有利于降低軋制力和提高環(huán)件的尺寸精度，使得徑向軋制力和軸向軋制力之比在3∶1～4∶1之間。不同軋制曲線具有不同優(yōu)勢(shì)，為降低坯料溫升，提高尺寸精度，專門提出了針對(duì)GH4169合金這類難變形材料矩形截面環(huán)件軋制的特殊軋制曲線，如圖6所示。

圖6 軋制曲線類型［46］:（a）上凸型，（b）直線型，（c）下凹型，（d）特殊型Fig.6 Four types of rolling curves［46］:　?。╝）　the convex type，（b）the linear type，（c）the concave type，（d）the special type

此外，在軋制過程中抱輥始終以一定夾持力加持在環(huán)件外圓上，起到防止環(huán)件擺動(dòng)、平衡軋制側(cè)向力、保證環(huán)件圓度的作用，因此軋件的位置對(duì)于保證軋制的順利進(jìn)行和提高環(huán)件的尺寸精度均具有重要影響。為此，劉東等［47］建立了環(huán)件徑軸雙向軋制抱輥運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算方法，可用公式 （1）表示:

圖7 環(huán)件瞬時(shí)外徑與抱輥的幾何關(guān)系［47］Fig.7 Instantaneous geometric relation between ring and guide rolls［47］

楔橫軋技術(shù)作為傳統(tǒng)軋制的拓展，是一種清潔高效的軸類零件成形技術(shù)，在GH4169合金上也得到了一定應(yīng)用。針對(duì)GH4169合金變形抗力大、鍛造溫度范圍窄等特點(diǎn)，張寧等［48-49］采用熱力耦合的方式分析了GH4169合金棒材楔橫軋時(shí)的金屬流動(dòng)情況、溫度場(chǎng)分布以及軋制力變化。研究結(jié)果表明，GH4169合金在楔橫軋過程中，其外層金屬的軸向流動(dòng)大幅度滯后于芯部。與45#鋼相比，相同變形量下 （60.9%），GH4169合金的各力能參數(shù)均要大于45#鋼，最高時(shí)可達(dá)2.15倍（如圖8所示），這是由于在相同溫度下GH4169合金具有更高的變形抗力。因此，GH4169合金在楔橫軋時(shí)需選用能量較大的設(shè)備，并且應(yīng)盡可能選擇較低轉(zhuǎn)速和較高溫度。此外，軋制過程中坯料的溫升和溫降效果明顯，溫升最高時(shí)可達(dá)150℃，溫降最大時(shí)為300℃。軋件溫度的不均勻性極易導(dǎo)致混晶等現(xiàn)象，需要合理分配各個(gè)變形段 （楔入段、展寬段、精整段）長(zhǎng)度加以避免。

圖8 GH4169合金和45#鋼在楔橫軋過程中，力能參數(shù)變化曲線［48］Fig.8 Variations of energetic parameters of GH4169 alloy and 45#steel in cross wedge rolling process［48］

軋制技術(shù)在葉片成形過程也得到應(yīng)用。隨著航空、航天領(lǐng)域發(fā)展對(duì)環(huán)境、能源、生產(chǎn)效率和精確性的要求越來越高，葉片成形也逐漸向著無余量或少余量加工的方向發(fā)展，冷軋技術(shù)隨之被應(yīng)用到GH4169合金上。國(guó)內(nèi)某公司將傳統(tǒng)的輥軋技術(shù)應(yīng)用到葉片成形中，實(shí)現(xiàn)了GH4169合金壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的精密成形［50-52］。利用該方法不僅可使加工技術(shù)簡(jiǎn)化，大幅度提高生產(chǎn)效率，同時(shí)由于輥軋方向與葉片工作時(shí)的受力方向一致，晶粒細(xì)小，力學(xué)性能好，最終葉片的抗疲勞性能得到了顯著提高，疲勞強(qiáng)度提高12%以上［53］。冷軋變形對(duì)GH4169合金的作用主要表現(xiàn)在隨著冷軋變形量的增加，析出的強(qiáng)化相 （γ″和γ′）尺寸減小，而δ相形貌由針狀或短棒狀變?yōu)轭w粒狀，其分布也由晶界或?qū)\晶界上轉(zhuǎn)移到整個(gè)基體內(nèi)［54-55］。與傳統(tǒng)的鍛造葉片相比，冷輥軋葉片由于在固溶處理 （980℃、1 h）過程中發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，其晶粒細(xì)化作用更明顯、尺寸更小，約為9.9μm，如圖9b所示。呂宏軍等［56］的研究也表明，可通過冷變形和熱處理相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)GH4169合金晶粒的細(xì)化，利用1 050℃、0.5 h固溶+50%冷變形+890℃、10 h時(shí)效處理 （析出δ相）+第二次30%冷變形的工藝，最終得到 ASTM 13～14的超細(xì)晶。細(xì)晶組織使得GH4169合金 650℃下拉伸性能大幅度提高，如表 5所示。

圖9 鍛造葉片 （a）和冷輥軋葉片 （b）晶粒尺寸對(duì)比Fig.9 Grain size comparison between forging blade（a）and cold rolling blade（b）

表5 普通GH4169和超細(xì)晶GH4169力學(xué)性能對(duì)比（650℃）［56］Table 5 Mechanical properties comparison of GH4169 alloys with coarse grain and fine grain［56］

此外，冷變形也有助于降低合金第二相的開始析出溫度、峰值析出溫度和結(jié)束析出溫度［57］，如圖10所示。原因在于一方面冷變形產(chǎn)生的變形帶為第二相析出提供形核位置，另一方為相析出所需的Nb元素提供了快速擴(kuò)散的通道。因此隨著冷軋變形量的增加，GH4169合金強(qiáng)化相 （γ″和γ′相）和δ相含量隨之增加。冷軋變形不僅會(huì)影響第二相的析出時(shí)間，還會(huì)影響其形貌。以δ相為例，當(dāng)冷軋變形量達(dá)到30%以上時(shí)，對(duì)其進(jìn)行980℃固溶處理時(shí)，合金內(nèi)部會(huì)發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶。由于δ相的析出涉及元素的擴(kuò)散，因此其開始析出時(shí)間滯后于合金的再結(jié)晶發(fā)生時(shí)間，其形核往往發(fā)生在再結(jié)晶晶粒的晶界上［58］。加之再結(jié)晶過程的發(fā)生涉及到大角晶界的遷移，因此隨著冷軋變形量的進(jìn)一步增加，大角晶界的數(shù)量增加，大角晶界的存在使得δ相優(yōu)先向能量較高的亞穩(wěn)態(tài)顆粒狀發(fā)展，因而δ相呈顆粒狀。

圖10 不同冷軋變形量下合金的熱分析曲線［57］Fig.10 DSC curves of alloys with different cold rolling reductions［57］

從上述分析可以看出，通過冷變形和熱處理相結(jié)合的方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)GH4169合金晶粒進(jìn)一步細(xì)化的目的，同時(shí)可對(duì)合金強(qiáng)化相和δ相的析出形貌進(jìn)行調(diào)控。

但是，冷軋技術(shù)的使用同樣給GH4169合金的成形帶來了新的問題，如冷軋后殘余應(yīng)力分布情況及其對(duì)構(gòu)件尺寸的影響規(guī)律，需要做進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 語

本文從變形規(guī)律和組織控制的角度出發(fā)，介紹了GH4169合金擠壓、模鍛和軋制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)GH4169合金的變形特點(diǎn)，總結(jié)歸納了合金在不同成形方式中存在的問題及解決措施，分析了加工工藝參數(shù)對(duì)微觀組織、軋制力、溫升等的影響規(guī)律。雖然高溫合金塑性加工技術(shù)已經(jīng)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，但是仍存在著一些問題需要做進(jìn)一步研究。一方面，隨著成形技術(shù)朝著精密成形的方向發(fā)展，對(duì)于變形后的尺寸精度要求越來越高，而GH4169合金目前多采用熱變形，如擠壓、鍛造，針對(duì)熱變形后尺寸精度的控制需要更深入的研究；并且隨著冷軋技術(shù)被應(yīng)用到GH4169合金上，冷變形后構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布以及隨著殘余應(yīng)力的逐漸釋放，對(duì)構(gòu)件尺寸的影響規(guī)律也有待探索。另一方面，在組織控制上，δ相含量和形貌對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度影響的定量分析以及冷變形誘導(dǎo)GH4169合金靜態(tài)再結(jié)晶等問題仍需進(jìn)一步研究。

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（編輯 惠 瓊）

Development of Main Plastic Forming Technologies for GH4169 Alloy

CHENG Ming，YE Nengyong，ZHANG Shihong
（Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China）

Abstract:The development of main plastic forming technologies of GH4169 alloy，including extrusion，die forging and rolling，are introduced in this paper.The problems existed in the forming process and corresponding solutions are summarized.At present，the plastic forming technologies of GH4169 alloy have been considerably developed.It is developing in a precision forming direction.Meanwhile，there are still some problems need to be further analyzed，like the residual stress distribution after cold or hot deformation and its effect on the precision of components when it is released gradually.

Key words:GH4169 alloy；extrusion；forging；cold rolling；microstructure

中圖分類號(hào)：TG394

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3962（2016）04-0241-10

收稿日期：2015-12-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（50834008）；蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目（SKLAB02014001）；沈陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目（F15-172 -6-00）

通訊作者：張士宏，男，1962年生，研究員，博士生導(dǎo)師，Email:shzhang@imr.ac.cn

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.04.01