航空發(fā)動機(jī)環(huán)形鍛件軋制技術(shù)及應(yīng)用

文/李增樂·陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司

航空發(fā)動機(jī)環(huán)形鍛件軋制技術(shù)及應(yīng)用

文/李增樂·陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司

航空發(fā)動機(jī)的大部分零件工作時間長、反復(fù)處于高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、高低頻振動綜合作用的惡劣環(huán)境中，所以在研發(fā)航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的過程中，從設(shè)計、選材、冶金、加工零部件，到裝配成機(jī)的幾個環(huán)節(jié)都有很高要求。環(huán)形零件在現(xiàn)代航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)中屬于一種涉及材料種類多、量大面廣、精度高和載荷大的重要零件，如美國普惠公司研發(fā)的JSF35聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī)用渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)F-135-PW-100，如圖1所示，其環(huán)形鍛件占所有發(fā)動機(jī)鍛件成本的12％。

航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)環(huán)形零件包括風(fēng)扇機(jī)匣、壓氣機(jī)機(jī)匣、渦輪機(jī)匣、連接環(huán)和封嚴(yán)環(huán)等，這些零件選用的原材料種類繁多，如0Cr17Ni4Cu4Nb、Ti6Al4V、Ti6Al2Sn4Zr2Mo、WASPALOY和GH4169等。這些合金材料多屬于合金化程度較高的難變形合金，變形抗力大且價格昂貴，采用環(huán)軋工藝生產(chǎn)此類環(huán)形零件能夠有效降低設(shè)備噸位，節(jié)約大量原材料，同時又具有較高的生產(chǎn)效率，有效地改善內(nèi)部組織，所以與其他冷、熱加工方法相比環(huán)件軋制的生產(chǎn)方法具備很強(qiáng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

陜西宏遠(yuǎn)航空公司（下簡稱宏遠(yuǎn)公司）隸屬中航工業(yè)，是國內(nèi)專業(yè)化鍛造產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)單位，公司承擔(dān)了國內(nèi)多種型號的飛機(jī)、航空發(fā)動機(jī)鍛件的研制與生產(chǎn)任務(wù)，在國際上也具有很高的聲譽(yù)與商業(yè)競爭性，自20世紀(jì)90年代以來與美國波音、歐洲空客、英國羅羅等多個國際知名企業(yè)保持了良好的合作關(guān)系。公司生產(chǎn)的鍛造產(chǎn)品行銷世界各地，這些鍛件幾乎涉及目前所知的全部種類金屬材料，鋼材類包括碳鋼、結(jié)構(gòu)鋼、超強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、合金鋼、高合金鋼，有色金屬類包括高溫合金、鈦合金、鎂合金、鋁合金和銅合金等。公司擁有國內(nèi)最完整鍛造設(shè)備及鍛造產(chǎn)品生產(chǎn)線，生產(chǎn)的模鍛件從幾十克到3t不等，生產(chǎn)的等溫鈦合金結(jié)構(gòu)鍛件表面粗糙度Ra達(dá)到3.2μm，擁有凈近成形技術(shù)。公司緊扣鍛造技術(shù)發(fā)展的脈搏，研發(fā)并應(yīng)用了多種鍛造生產(chǎn)工藝，如從傳統(tǒng)的錘上鍛造到壓力機(jī)半靜壓制造，從常規(guī)鍛造到等溫鍛造，從小型鍛件的生產(chǎn)到大型、超大型鍛件的生產(chǎn)，從鋼制零件的制造到高溫合金、粉末合金及鈦合金鍛件的生產(chǎn)，從鍛造到環(huán)軋加工等生產(chǎn)方式及工藝手段。

圖1 普惠公司F-135-PW-100型航空發(fā)動機(jī)

環(huán)軋技術(shù)在宏遠(yuǎn)公司的應(yīng)用

自從1842年英國第一臺環(huán)件軋機(jī)問世以來，環(huán)件軋制工藝和設(shè)備不斷發(fā)展，應(yīng)用越來越廣泛，如軸承環(huán)、齒輪環(huán)、法蘭、火車車輪及輪箍、燃汽輪機(jī)用各類環(huán)件等無縫環(huán)件均依靠環(huán)軋工藝進(jìn)行生產(chǎn)。環(huán)件軋制技術(shù)在軍事、航空、航天、機(jī)械、汽車、軌道交通、船舶、石油化工及核電等各項(xiàng)領(lǐng)域中日益得到廣泛的應(yīng)用。理論上環(huán)件軋制適于生產(chǎn)各種形狀尺寸、各種材料的環(huán)形零件或毛坯。迄今為止，工業(yè)化可軋制的環(huán)形鍛件直徑在φ（40～10000）mm之間，高度在15～1000mm之間，最小環(huán)件壁厚約為16mm，最小環(huán)件的重量約為0.2kg，最大環(huán)件重量可達(dá)8200kg。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，環(huán)軋工藝生產(chǎn)的環(huán)件幾乎涉及全部的金屬材料，例如碳鋼、合金鋼、鋁合金、銅合金、鈦合金、鈷合金和鎳基合金等。

在航空發(fā)動機(jī)中，壓氣機(jī)機(jī)匣、渦輪機(jī)匣及結(jié)合環(huán)等重要零件均為環(huán)形鍛件。新型的航空發(fā)動機(jī)為了提高推重比和運(yùn)行穩(wěn)定性，此類零件多采用重量輕、比強(qiáng)高、耐腐蝕的鈦合金或者采用耐高溫、抗疲勞的高溫合金進(jìn)行制造。除此之外，處于航空發(fā)動機(jī)前段重要結(jié)構(gòu)零件的風(fēng)扇機(jī)匣等零件國外多采用能提供較好的結(jié)構(gòu)剛性的馬氏體型沉淀硬化不銹鋼進(jìn)行制造。采用Ti-6Al-4V、IN718、0Cr17Ni4Cu4Ni等價格昂貴的材料生產(chǎn)的航空發(fā)動機(jī)環(huán)形鍛件其直徑最小約400mm，最大可達(dá)1900mm，其重量約在35kg 3t不等，這些環(huán)形件加工成的零件在航空發(fā)動機(jī)中占有突出重要地位。例如，美國普惠公司研發(fā)的JSF35聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī)用渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)F-135-PW-100，其環(huán)形鍛件占所有發(fā)動機(jī)鍛件成本的12％。由此可見，環(huán)形鍛件在航空發(fā)動機(jī)中主要用于制造各種大量的精度高、載荷大的重要環(huán)形零件，在航空發(fā)動機(jī)應(yīng)用的各類鍛件中具有重要地位。

宏遠(yuǎn)公司在六十多年的發(fā)展中，在環(huán)形鍛件產(chǎn)品的生產(chǎn)中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。從1973年引進(jìn)第一臺0.35m環(huán)軋設(shè)備開始涉足環(huán)形鍛件的生產(chǎn)后，陸續(xù)引進(jìn)1.2m、2.0m環(huán)軋設(shè)備進(jìn)行航空發(fā)動機(jī)環(huán)形鍛件的生產(chǎn)，并于2005年引進(jìn)了國產(chǎn)高精度2.5m徑軸雙向環(huán)軋機(jī)，如圖2所示，以拓展公司在精密、大型的環(huán)形鍛件產(chǎn)品領(lǐng)域，進(jìn)一步擴(kuò)充了公司產(chǎn)能，完善產(chǎn)品線。

目前，公司生產(chǎn)環(huán)形鍛件直徑約從300～1800mm不等，環(huán)件重量在80～3000kg不等，涉及近百種合金材料，如Ti6Al4V、TC17、Inconel718、AlloyC、0Cr17Ni4Cu4Nb、GH4099、GH4202等。雖然，環(huán)軋的生產(chǎn)方式基本相同，但是基于不同的合金牌號及零件適用規(guī)范，其制造工藝、熱加工參數(shù)和熱加工過程要求卻大相徑庭。例如：Ti6Al4V合金環(huán)件需要嚴(yán)格控制加熱溫度及轉(zhuǎn)運(yùn)時間，軋制過程中需要控制芯輥進(jìn)給速度，以保證環(huán)件尺寸精度；大型0Cr17Ni4Cu4Nb合金環(huán)件由于具有較大自重和熱加工慣性，在軋制過程中，需要控制軋制速度的同時，注意抱輥壓力和環(huán)件熱結(jié)構(gòu)剛度對軋制過程的影響，從而滿足環(huán)件尺寸在粗加工橢圓度公差和物理冶金要求。經(jīng)過多年的探索，公司在環(huán)形鍛件生產(chǎn)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，形成了集研發(fā)、生產(chǎn)、熱處理和粗加工一體的環(huán)形鍛件軋制生產(chǎn)線，能滿足各類型、高精度和多種牌號的環(huán)形鍛件生產(chǎn)，具備了較強(qiáng)的環(huán)形鍛件的生產(chǎn)能力，如圖3所示的產(chǎn)品為大型0Cr17Ni4Cu4Nb合金環(huán)件。

圖2 φ2.5m數(shù)控環(huán)軋機(jī)

圖3 大型0Cr17Ni4Cu4Nb合金環(huán)件

環(huán)形鍛件新技術(shù)的應(yīng)用及生產(chǎn)探索

經(jīng)過一個多世紀(jì)的發(fā)展，環(huán)形鍛件軋制的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)逐漸形成以軋制技術(shù)為龍頭，涉及零件加工、自動控制和材料科學(xué)多領(lǐng)域交叉的一種先進(jìn)制造技術(shù)，且已經(jīng)成為環(huán)形機(jī)械零件制造的高效、先進(jìn)和主要生產(chǎn)方法之一。并且隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，環(huán)件軋制技術(shù)向著大型、精密、復(fù)雜、難變形材料軋制、快速和柔性加工等方向迅速發(fā)展。

下面將對幾種環(huán)件軋制的生產(chǎn)技術(shù)做系統(tǒng)的介紹。

異形截面環(huán)件軋制

隨著環(huán)件軋制技術(shù)的不斷發(fā)展，環(huán)件成形種類越來越豐富，除了常見的矩形截面環(huán)件外，可以成形復(fù)雜截面的環(huán)形鍛件。這些復(fù)雜截面環(huán)形鍛件能夠獲得小加工余量及精密加工截面形狀。直接成形復(fù)雜截面環(huán)形件由于具有高材料利用率，同時顯著縮短后續(xù)加工工時，使其具有了更好經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢，逐漸成為環(huán)件軋制成形技術(shù)發(fā)展新的領(lǐng)域和方向。

通過對航空發(fā)動機(jī)環(huán)形鍛件即各類機(jī)匣鍛件的幾何尺寸特征進(jìn)行統(tǒng)計分析，可以將航空發(fā)動機(jī)中眾多類型的環(huán)件歸納為四種典型類型，如“F”型、“C”型、“L”型和“I”型。

復(fù)雜截面環(huán)件相對矩形環(huán)件具有流線完整，顯著提高機(jī)械性能，有很強(qiáng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，所以復(fù)雜截面環(huán)件的軋制技術(shù)具有非常廣闊的前景，此類環(huán)件的軋制也是金屬熱加工技術(shù)一個新的增長點(diǎn)。圖4為宏遠(yuǎn)公司成功生產(chǎn)的部分復(fù)雜截面的異形環(huán)件。

圖4 復(fù)雜截面的異形環(huán)件

現(xiàn)階段，異形環(huán)件技術(shù)主要集中在軋制過程中金屬的流動規(guī)律探索、環(huán)件尺寸的變化、軋制力的計算、軋制運(yùn)動學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)制定等幾個方面。這些理論上的研究成果極大地豐富并優(yōu)化了軋制工藝，同時也為設(shè)計軋機(jī)和制定力能參數(shù)提供了理論依據(jù)。

宏遠(yuǎn)公司于近幾年在復(fù)雜截面環(huán)件虛擬軋制技術(shù)研究中做了多方面的探索，通過通用或?qū)Ｓ糜邢拊浖?gòu)造軋制的計算模型，采用多種途徑和調(diào)整熱加工參數(shù)以獲得最佳的虛擬軋制結(jié)果，以有效優(yōu)化復(fù)雜截面環(huán)件軋制的各個工藝參數(shù)，從而得到最優(yōu)的軋制結(jié)果，進(jìn)而將這一結(jié)果用于工程化，以獲得最優(yōu)的復(fù)雜截面環(huán)件，如圖5所示。

難變形材料環(huán)件軋制

隨著國內(nèi)外金屬材料及其加工技術(shù)和材料的工程化應(yīng)用的不斷向前發(fā)展，鈦合金及高溫合金在各類型航空發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用不斷提高，此類新材料、新技術(shù)的應(yīng)用，一方面提高了航空發(fā)動機(jī)的推重比，另一方面降低了航空發(fā)動機(jī)的運(yùn)行故障率。通過對近幾年國外多種航空發(fā)動機(jī)的分析，可以發(fā)現(xiàn)其壓氣機(jī)機(jī)匣、渦輪機(jī)匣、結(jié)合環(huán)等零部件均采用了價格昂貴的高溫合金和鈦合金環(huán)形鍛件進(jìn)行加工制造，尤其是壓氣機(jī)機(jī)匣、渦輪機(jī)匣、結(jié)合環(huán)、安裝邊和封嚴(yán)環(huán)等零部件全部采用難變形的高溫合金材料進(jìn)行制造。此類環(huán)件的質(zhì)量和熱加工技術(shù)對于提高發(fā)動機(jī)的性能水平和使用壽命，降低研制成本，提高發(fā)動機(jī)推重比和運(yùn)行穩(wěn)定性都具有十分重要的影響。

GH4169是我國牌號，該合金屬于典型的難變形合金材料，相當(dāng)于美國INCONEL718合金，是一種鈮強(qiáng)化的沉淀硬化型鎳-鐵基高溫合金?；w是Ni-Fe基奧氏體（γ）相，主要強(qiáng)化相是體心四方的γ相，化學(xué)式為Ni3（Nb、Ti、Al），呈盤片狀在奧氏體基體上共格析出。γ相屬于輔助強(qiáng)化相，化學(xué)式為Ni3（Al、Ti）呈球狀顆粒。δ相為穩(wěn)定的非共格相，隨熱加工工藝、熱處理工藝以及鍛件尺寸形狀和冷卻方式不同，其數(shù)量、大小和形態(tài)也有差別。GH4169合金是一種綜合性能優(yōu)異的高溫合金，GH4169合金在常用的高溫合金中具有較高抗拉和屈服強(qiáng)度。另外，GH4169合金還具有優(yōu)秀的抗腐蝕性、抗氧化性和耐輻射性能，滿意的成形性能以及良好的塑性和長期的組織穩(wěn)定性，使GH4169合金成為常用的高溫合金中綜合性能最好的合金。

圖5 環(huán)件虛擬軋制特效圖

GH4169合金零件根據(jù)其在航空發(fā)動機(jī)中位置不同，可采用多種熱加工工藝方法進(jìn)行生產(chǎn)，如高強(qiáng)工藝、DA工藝或普通工藝。此合金具有較高的變形抗力、加工溫度范圍窄，針對這些難變形合金環(huán)件軋制必須充分考慮合金的熱加工性，目前可采取的方案為：充分研究零件幾何尺寸特征，嚴(yán)格控制加熱溫度和時間，嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)運(yùn)時間，避免溫降，可采用多道次的加工方法，以及采用合理有效的軋制曲線。除GH4169外，還有很多Ti合金、高溫合金都屬于難變形材料，此類材料的環(huán)件加工可按照以上方法編制生產(chǎn)工藝流程。

大型環(huán)件軋制技術(shù)

大型環(huán)件軋制多為矩形截面環(huán)件，此類大型環(huán)件一般直徑在1500mm以上，壁厚在100mm以上，高度在520mm以上，合金鋼類環(huán)件重量約2.4t，投料重量在3t以上，多采用徑-軸雙向大型環(huán)軋設(shè)備進(jìn)行加工制造。

這些大型環(huán)件軋制存在較大難度，如合金熱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的降低與較大自重引起的加工慣性導(dǎo)致合金環(huán)件橢圓度超差，薄壁大尺寸引起高厚比失衡導(dǎo)致環(huán)件軸向軋制異常，軸向大變形引起環(huán)件軋制缺陷導(dǎo)致環(huán)件報廢，大變形金屬材料熱加工特性引起軋制裂紋或其他缺陷導(dǎo)致環(huán)件精度降低等一系列問題。所以，在進(jìn)行此類環(huán)件軋制生產(chǎn)過程中需考慮以下幾個方面：

⑴環(huán)件尺寸決定軋制方法。高厚比不同的大型環(huán)軋件會影響軋制方法，如直徑較大、薄壁的類筒形件。

⑵這些鍛件自身質(zhì)量較大，同時壁厚較薄，直徑較大，這些幾何及物理參數(shù)易導(dǎo)致環(huán)件在軋制過程中出現(xiàn)小截面剛度，尤其是在軋制后期，小截面剛度導(dǎo)致環(huán)件徑向畸變，引起環(huán)件加工困難，可能會導(dǎo)致報廢。而大型環(huán)件投料質(zhì)量大，原材料成本高而加工費(fèi)用較低，報廢一件環(huán)件會造成很大損失。

⑶設(shè)計時，要考慮截面剛度減小可能會導(dǎo)致的軋制問題以及收縮率導(dǎo)致尺寸的變化或翹曲。

⑷抱輥力和軋制速度需在合理可控的范圍內(nèi)。同時，在軋制大型合金環(huán)件的過程中需要嚴(yán)格控制加熱溫度，以及考慮軸向進(jìn)給速度、火次等重要熱加工參數(shù)對軋制的影響。

圖6所示為宏遠(yuǎn)公司生產(chǎn)的重達(dá)2.8t的環(huán)件，該鍛件直徑1900mm，高厚比約為7∶1（屬于典型的大型薄壁環(huán)軋件），且物理冶金要求高，成形難度極大。

圖6 大型薄壁合金鋼環(huán)件

結(jié)束語

本文結(jié)合宏遠(yuǎn)公司在環(huán)形鍛件加工生產(chǎn)方面的經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)地分析了環(huán)件軋制工藝的技術(shù)優(yōu)勢、方法、基本特征和分類，指出了近年來環(huán)件軋制技術(shù)的發(fā)展方向，介紹了我國在環(huán)件軋制技術(shù)研究的突破和成果。

通過以上分析可以看出，環(huán)件軋制的金屬塑性（熱）加工方法既提高了金屬材料利用率，又減小了后續(xù)加工余量和加工工時消耗，具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，特別是在航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)機(jī)匣、渦輪機(jī)匣、結(jié)合環(huán)、安裝邊、封嚴(yán)環(huán)等重要零件均采用價格昂貴的難變形高溫合金或者鈦合金采用環(huán)件軋制的方法進(jìn)行加工制造，這些環(huán)形件構(gòu)成了航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵鍛件的一個重要類型。通過不斷深入研究以增加環(huán)軋技術(shù)的應(yīng)用，對現(xiàn)有的技術(shù)成果可充分進(jìn)行工程化應(yīng)用，以提高我國在環(huán)形零件制造領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，并為國家航空發(fā)動機(jī)事業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

李增樂，陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司技術(shù)中心部部長，曾參加多項(xiàng)國家航空重點(diǎn)型號建設(shè)項(xiàng)目，并取得了顯著成績。