高溫合金葉片精密成形技術(shù)研究

關(guān) 紅，崔樹(shù)森，汪大成

(沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110043)

壓氣機(jī)葉片是單機(jī)數(shù)量最多的葉片，其功能使命重要、技術(shù)要求高，外形結(jié)構(gòu)相近，但微細(xì)差異甚多，其制造技術(shù)是機(jī)械領(lǐng)域中最為特殊、最為嚴(yán)格的，難度極大，已經(jīng)成為衡量透平機(jī)械制造能力和水平的主要標(biāo)志［1］.一臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)有數(shù)千件葉片，其中鍛造葉片就占80%以上［2］.航空葉片材料發(fā)展的趨勢(shì)為高性能化(輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模、抗氧化)和低成本化.由于迫切要求先進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)，而使高溫合金得到了發(fā)展［3］.高溫合金是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要材料［4］，也是最難加工的材料之一，在切削加工時(shí)刀具磨損非常嚴(yán)重［5-6］.隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用熱強(qiáng)性更好、抗熱腐蝕能力更高，并長(zhǎng)期工作時(shí)組織穩(wěn)定的高溫合金已經(jīng)成為葉片材料的主要研究對(duì)象［7］.本文項(xiàng)目研制的葉片鍛件材料是GH2150合金，該材料合金化程度較高，具有較好的抗高溫變形的能力［8］.高溫合金特有的合金成分和微觀組織結(jié)構(gòu)決定了其熱加工成形工藝有別于其他普通材料，具有塑性低、變形抗力大、熱加工溫度范圍窄、導(dǎo)熱性差等特點(diǎn)［9］，加之該葉片配套加工的后續(xù)工序是冷輥軋工藝，對(duì)鍛件的加工余量、尺寸精度和表面質(zhì)量要求均很高，這些因素都增大了葉片鍛造成形的難度.本文介紹了一種采用擠桿、鐓頭制坯、預(yù)鍛、終鍛成形的工藝方法，實(shí)現(xiàn)了葉片單面余量(0.5±0.2)mm的精密成形.不僅解決了葉身薄且小的高溫合金葉片的精密鍛造成形問(wèn)題，而且使后續(xù)加工大大簡(jiǎn)化(冷輥軋加工)，省時(shí)、省料、省設(shè)備、節(jié)成本;更重要的是它使葉身的金屬流線方向合理，從而提高了葉片的機(jī)械性能和使用性能，充分發(fā)揮了材料的潛在能力［10］.

1 試驗(yàn)

1.1 變形溫度對(duì)合金組織性能的影響

選用了1 110、1 130、1 150℃的3種溫度進(jìn)行變形試驗(yàn)，其中性能件取自擠桿件，組織件取自終鍛件并經(jīng)(930±10)℃校形，試件經(jīng)過(guò)(1 080±10)℃ ×2.5 h，油冷處理和(780 ±10)℃ ×5 h，空冷+(650±10)℃ ×16 h，空冷時(shí)效.

1.2 最佳變形程度的選擇

小變形區(qū)的階梯試樣的變形量是按5%～30%設(shè)計(jì)，試樣加熱溫度取900～1 150℃.階梯試樣在1 000噸螺旋壓力機(jī)上進(jìn)行，由不同的高度壓扁到10 mm.為了適應(yīng)葉片如擠桿等大變形量的實(shí)際需要，本研究中還對(duì)GH2150合金較大變形程度對(duì)組織的影響進(jìn)行了驗(yàn)證，是在1 000、1 050、1 130℃的3種溫度50% ～70%變形量的階梯試樣上進(jìn)行的.

1.3 熱處理工藝試驗(yàn)

固溶溫度分別取 1 000、1 040、1 060、1 080、1 110℃，為進(jìn)一步查明保溫時(shí)間的影響，特將每種溫度持續(xù)時(shí)間分別為0.5、1、1.5、2 h.

1.4 鍛件的表面狀態(tài)和硬度的檢測(cè)

取2個(gè)鍛件對(duì)鍛件的表面貧化層及輥軋前、后的硬度進(jìn)行檢測(cè).

1.5 葉片精密鍛造試驗(yàn)

按試驗(yàn)確定的工藝參數(shù)進(jìn)行了試生產(chǎn)，對(duì)鍛件的組織和性能進(jìn)行了檢測(cè).

2 結(jié)果及分析

2.1 變形溫度對(duì)合金組織性能的影響

由表1可看出，在3種溫度下變形后的試樣的性能都未見(jiàn)明顯差異，但加熱溫度為1 130℃的試件的綜合性能更為理想.

各組試樣的高倍組織狀態(tài)見(jiàn)圖1.在低倍組織未發(fā)現(xiàn)異常的前提下，3種變形溫度的高倍組織也未見(jiàn)明顯差異，可以將綜合性能相對(duì)較理想的1 130℃作為本項(xiàng)目葉片成形的加熱溫度.

表1 不同變形溫度試樣性能

圖1 不同鍛造溫度的高倍組織

2.2 最佳變形程度的選擇

從低倍組織圖片發(fā)現(xiàn)加熱溫度為1 110℃和1 130℃試樣在變形程度5%～8%時(shí)出現(xiàn)了粗晶，說(shuō)明臨界變形區(qū)在5% ～8%，加熱溫度為1 150℃的試樣晶粒普遍粗大(見(jiàn)圖2).加熱溫度為1 000、1 040、1 080℃的晶粒細(xì)且均勻，可以說(shuō)變形程度在30%以內(nèi)對(duì)晶粒沒(méi)有影響，加熱溫度為900和930℃試件出現(xiàn)了鍛造裂紋.

圖2 階梯試樣壓扁前狀態(tài)及壓后的低倍組織

從橫向解剖檢查小變形高倍組織圖可以看出，加熱溫度為1 110、1 130℃在小變形時(shí)(5%～8%)晶粒明顯粗大，只有加熱溫度為1 040、1 080℃晶粒在變形5%～30%時(shí)都較細(xì)且均勻(見(jiàn)圖3)，而預(yù)鍛和終鍛的榫頭為小變形，變形量在20%左右，所以預(yù)鍛和終鍛的加熱溫度可以選用1 050℃.

大變形量的低倍組織試樣均未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，其晶粒度也比較均勻(見(jiàn)圖4)，可見(jiàn)變形程度達(dá)到70%時(shí)也能滿足葉片鍛件的組織要求.最后確定鍛造工藝參數(shù)為:擠桿(頂鍛)、鐓頭加熱溫度為(1 130±10)℃，預(yù)鍛、終鍛加熱溫度為(1 050±10)℃，校正加熱溫度為(930±10)℃.

2.3 熱處理工藝試驗(yàn)

試驗(yàn)件按1 130℃制坯→1 050℃預(yù)鍛→1 050℃終鍛→930℃校形的工藝進(jìn)行鍛造后，固溶溫度分別取 1 000、1 040、1 060、1 080、1 110℃，為進(jìn)一步查明保溫時(shí)間的影響，特將每種溫度持續(xù)時(shí)間分別為0.5、1、1.5、2 h.

從高倍組織圖5發(fā)現(xiàn)，1 040℃固溶、持續(xù)2 h的晶粒組織較細(xì)且均勻，由于鍛件的組織較好使得葉身冷軋后，其晶粒變得更細(xì)(見(jiàn)圖6).按該熱處理制度進(jìn)行處理的壓扁試樣的力學(xué)性能符合鍛件技術(shù)條件的要求.

圖3 階梯試樣小變形高倍組織

2.4 鍛件的表面狀態(tài)及硬度的檢測(cè)

高溫合金在多次的加熱過(guò)程中，鍛件表層的碳、硼等合金元素易被燒蝕和貧化，甚至誘發(fā)鍛件表層晶粒粗化，導(dǎo)致拉伸塑性和沖擊韌性下降，高溫持久明顯降低［11］.為此進(jìn)行了整流葉片鍛后固溶的表面貧化層的檢驗(yàn).由于鍛造加熱過(guò)程中，玻璃潤(rùn)滑劑起到了較好的防護(hù)作用，所以貧化層厚度不是很深，同一試樣不同部位的表面貧化層厚度基本相同，固溶處理次數(shù)影響不大.一次固溶處理表面貧化層仍有一部分附著于基體上，厚度大約為10 μm，而兩次固溶處理的表面貧化層中沒(méi)有這種附著層，說(shuō)明兩次固溶處理樣品的表面貧化層揮發(fā)較一次固溶處理樣品嚴(yán)重(見(jiàn)表2).貧化層最大平均厚度為26.7 μm，當(dāng)鍛件表面拋光去除量在0.1～0.2 mm時(shí)，可將貧化層完全去除掉.

圖4 階梯試樣大變形高倍組織

圖5 鍛后1 040℃固溶，保溫2 h高倍組織

圖6 鍛后1 040℃固溶，保溫2 h冷軋后1 040℃固溶保溫40 min葉身高倍組織

表2 鍛件不同部位表面貧化層厚度(μm)

基于后續(xù)輥軋要求鍛件的實(shí)際硬度不宜過(guò)高，否則在軋制時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋［12］.因此，控制所有鍛件的硬度在指定范圍內(nèi)，防止軋制后硬度超標(biāo)(不超過(guò)HRA71)是本文研究的重要內(nèi)容之一.為此按變形量50%做成壓扁試樣，固溶后采用不同的冷卻方式進(jìn)行冷卻后實(shí)測(cè)了硬度，還接續(xù)進(jìn)行了一次輥軋并實(shí)測(cè)了硬度(見(jiàn)表3).

表3 壓扁件不同冷卻方式的硬度(HRA)

由表3可看出采用試樣固溶后油冷的硬度低于空冷的硬度，分別為 HRA47～51.8和 HRA 57.5～63.試樣輥軋后硬度原油冷件增幅為12～21.5，原空冷件增幅為11～14，隨輥軋變形量增大，硬度值增幅也明顯增大.固溶后空冷的試樣輥軋后硬度大部分都大于71HRA，超過(guò)技術(shù)條件要求的硬度，而油冷的試樣只有在輥軋變形量大于60%時(shí)才超過(guò)HRA71，所以固溶后采用油冷.

本文研究的葉片后續(xù)為冷軋工藝，葉身還要進(jìn)行冷變形和熱處理，所以解剖2件鍛件，檢查榫頭高倍組織并與國(guó)外原件對(duì)比，結(jié)果水平相當(dāng)，見(jiàn)圖7.

圖7 國(guó)外原件與國(guó)產(chǎn)件榫頭高倍組織

2.5 葉片精密鍛造試驗(yàn)

2.5.1 鍛件的表面質(zhì)量及力學(xué)性能

按確定的鍛造工藝參數(shù)試生產(chǎn)的鍛件經(jīng)檢測(cè)幾何尺寸全部合格，表面無(wú)缺陷.型面透光不大于0.2 mm，鍛件的葉身最大厚度值在公差范圍內(nèi).從表4的測(cè)量結(jié)果看鍛件的型面透光、肋下差及厚度尺寸相差不多，處于同一狀態(tài)，達(dá)到了精鍛的水平，圖8為葉片成形過(guò)程實(shí)物圖.

表4 葉片鍛件葉身型面透光表

圖8 葉片成形過(guò)程實(shí)物圖

性能試件取自鐓頭件桿部壓扁至7 mm，并隨鍛件一起進(jìn)行固溶和時(shí)效，其室溫性能和高溫持久性能見(jiàn)表5，全部合格.

每熱處理批取1件經(jīng)固溶和時(shí)效后的鍛件檢查低倍組織和實(shí)測(cè)高倍組織.結(jié)果低倍無(wú)缺陷，符合技術(shù)條件要求;高倍晶粒度在4級(jí)以上，其狀態(tài)見(jiàn)圖9.

2.5.2 研制葉片的振動(dòng)疲勞性能

高壓壓氣機(jī)葉片經(jīng)冷輥軋成形，按“壓氣機(jī)葉片疲勞強(qiáng)度檢查技術(shù)條件”的規(guī)定，進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn)考核，全部通過(guò)了2×107循環(huán)，檢驗(yàn)合格.其疲勞強(qiáng)度極限不低于 40.0 kgf/mm2(392 MPa).

2.5.3 試車(chē)考核

高壓壓氣機(jī)葉片全部通過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)1 200 h三次的長(zhǎng)期試車(chē)考核，長(zhǎng)試后故檢無(wú)異常，符合型號(hào)指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，可投產(chǎn)使用.

表5 葉片鍛件的機(jī)械性能

圖9 葉片鍛件的高倍組織

3 結(jié)論

1)所確定的擠桿、鐓頭制坯、預(yù)鍛、終鍛成形工藝方法及熱加工工藝參數(shù)合理，實(shí)現(xiàn)了鍛造、熱處理工藝與組織、性能的合理匹配，可以獲得較理想的葉片鍛件，研制的葉片鍛件實(shí)物性能等技術(shù)指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，微觀組織與國(guó)外實(shí)物水平相當(dāng).

2)擠桿、鐓頭制坯工藝實(shí)現(xiàn)了葉片半精鍛鍛造，提高了材料利用率，為后續(xù)冷輥軋做好了組織準(zhǔn)備.

3)用研制成功的精密成形工藝制備的GH2150合金葉片通過(guò)了振動(dòng)疲勞試驗(yàn)和長(zhǎng)期試車(chē)考核，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求.

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