GH4169渦輪盤晶粒度控制技術(shù)研究

羅恒軍 謝 靜 齊占福 程 槿 沈文濤 劉曉飛

(1.中國第二重型機(jī)械集團(tuán)萬航模鍛廠，四川618013；2.機(jī)械科學(xué)研究總院，北京10083)

航空發(fā)動機(jī)是航空工業(yè)的“王冠”，其制造技術(shù)決定前著航空工業(yè)的發(fā)展水平。GH4169合金是航空發(fā)動機(jī)重要的結(jié)構(gòu)材料，在工作中往往承受很高的蠕變載荷和交變應(yīng)力，對組織和性能要求很高。但GH4169合金的組織和性能對熱加工工藝參數(shù)非常敏感，要使批量生產(chǎn)的鍛件質(zhì)量保持穩(wěn)定很困難。我們以九級渦輪盤作為研究對象，結(jié)合有限元模擬分析，通過對渦輪盤鍛件內(nèi)部晶粒度的分析，確定鍛件餅坯高度和輪緣高度對鍛件晶粒度的影響，以提高對GH4169合金鍛件質(zhì)量的控制能力。

1 數(shù)值模擬分析

九級渦輪盤的軸截面如圖1所示。為了較直觀描述鍛件的整個成形過程，我們選取鍛件軸截面不同區(qū)域共6個關(guān)鍵點(diǎn)作為研究點(diǎn)，以研究不同的工藝和設(shè)計(jì)方案對鍛件最終晶粒度水平的影響。

圖1 九級渦輪盤軸截面6個跟蹤點(diǎn)位置Figure 1 The positions of 6 tracking points of ninth level turbine disk

為了獲得在1MJ對擊錘上生產(chǎn)的優(yōu)化工藝，我們采用Deform-3D軟件對不同餅坯高度(200 mm、220 mm和240 mm)和不同輪緣高度(35 mm和40 mm)的工藝方案進(jìn)行了成形模擬。

模擬參數(shù)為：坯料材料為GH4169，模具材料為5CrNiMo；鍛造溫度1 010℃，轉(zhuǎn)運(yùn)時間60 s，模具預(yù)熱溫度為350℃，環(huán)境溫度為20℃，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。

從圖2和圖3中可以看出，隨著坯料高度增加，鍛造中鍛件各區(qū)域的溫度和應(yīng)變總體上相應(yīng)增大，但差別幅度不大。溫度上最大差值在20℃左右；應(yīng)變上差值在0.2左右。我們尤其注意到在點(diǎn)3處(試環(huán)位置)，該處的變形量較小(等效應(yīng)變0.35左右)，溫度也較低(935℃左右)。事實(shí)上考慮到模具的激冷作用，溫度往往更低。因此在模鍛過程中，該區(qū)域的晶粒往往難以充分完成再結(jié)晶，容易出現(xiàn)混晶現(xiàn)象，導(dǎo)致晶粒度水平下降。我們可以觀察到，隨著坯料高度的增加，點(diǎn)3區(qū)域的變形和溫度有所增加，顯然有利于再結(jié)晶的充分完成。

從圖4中可以看出，輪緣高度增加5 mm，對整個鍛件中溫度和應(yīng)變的影響不是很明顯。但我們觀察3點(diǎn)區(qū)域，隨著輪緣高度的增加，該點(diǎn)的溫度和應(yīng)變水平都有一定程度的提高，顯然也有利于鍛件晶粒的再結(jié)晶。此外，適當(dāng)增加輪緣高度，可有效減少模具激冷對輪緣處3點(diǎn)區(qū)域的影響。

(a)溫度 (b)等效應(yīng)變(粗線：餅坯高度220 mm；細(xì)線：餅坯高度200 mm)圖2 不同高度坯料的各跟蹤點(diǎn)溫度、等效應(yīng)變變化情況Figure 2 The variety of temperature and equivalent strain of the tracking points for different height of blanks

(a)溫度 (b)等效應(yīng)變(粗線：餅坯高度220 mm；細(xì)線：餅坯高度240 mm)圖3 不同高度坯料的各跟蹤點(diǎn)溫度、等效應(yīng)變變化情況Figure 3 The variety of temperature and equivalent strain of the tracking points for different height of blanks

(a)溫度 (b)等效應(yīng)變(粗線：輪緣高度35 mm；細(xì)線：輪緣高度40 mm)圖4 不同輪緣高度下鍛件的各跟蹤點(diǎn)溫度、等效應(yīng)變變化情況Figure 4 The variety of temperature and equivalent strain of the tracking points for different height of rims

2 試制生產(chǎn)過程

鍛件試制用原材料平均晶粒度為5級，其余性能均檢驗(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)加定位孔—加熱—模鍛—熱處理。

鐓餅在50 MN油壓機(jī)上進(jìn)行，模鍛在1MJ對擊錘上進(jìn)行，一火成形，成形后進(jìn)行空冷。

根據(jù)模擬結(jié)果，我們優(yōu)化了工藝，提出了生產(chǎn)控制要點(diǎn)。我們對試制出的典型件進(jìn)行了全面解剖分析，以觀察整個盤件的晶粒度水平。

圖5所示為九級渦輪盤典型件的顯微組織，除輪緣部位晶粒略粗外，整個盤件內(nèi)平均晶粒度為8～10級(標(biāo)準(zhǔn)要求為8級)。從九級渦輪盤鍛件幾何特征及成形過程來看，輪緣部位晶粒度的控制是一個難點(diǎn)。在整個變形過程中，輪緣部位的變形程度相對較小，且在模鍛過程中，由于與模具接觸，形成激冷層，再結(jié)晶往往很難充分完成，導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)少量的混晶組織。

圖5 九級渦輪盤晶粒度Figure 5 The grain size of ninth level turbine disk

3 結(jié)論

(1)適當(dāng)增加餅坯高度，增大鍛件輪緣部位的變形量，可改善該區(qū)域的組織狀況，達(dá)到晶粒細(xì)化的目的。

(2)隨著輪緣高度的增加，輪緣區(qū)域的溫度和變形都有一定程度的提高，且可有效減少模具激冷作用對試環(huán)的影響，有利于晶粒的再結(jié)晶。

[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).

[4] 羅恒軍，謝靜，程槿.GH4169合金渦輪盤鍛件晶粒度分析和控制.大型鑄鍛件，2010(6).