燃?xì)廨啓C(jī)用GH4698合金渦輪盤鍛造工藝

文／宗師，李輝，張凱·西安三角防務(wù)股份有限公司

燃?xì)廨啓C(jī)渦輪盤材料GH4698是一種特殊的鎳基高溫合金，其合金化程度較高，鍛造時(shí)具有較高的變形抗力和較窄的變形溫度范圍，所以要滿足鍛件的內(nèi)在質(zhì)量要求，必須制定合理的工藝路線。本文從材料的化學(xué)成分、鍛造工藝、數(shù)值模擬和試制生產(chǎn)等方面介紹了渦輪盤的生產(chǎn)過程。經(jīng)驗(yàn)證通過熱處理固溶、時(shí)效后的渦輪盤鍛件，顯微組織、力學(xué)性能完全達(dá)到使用要求，并且已批量生產(chǎn)，效果良好。

GH4698合金是以γ'相為強(qiáng)化相的沉淀強(qiáng)化型難變形鎳基合金，主要強(qiáng)化元素為鋁、鈦、鉬、鈮、鉻等，其合金化程度較高，鍛造時(shí)具有較高的變形抗力和較窄的變形溫度范圍，給鍛造帶來(lái)困難。主要用作大型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪盤材料，使用條件惡劣，性能要求苛刻。

鍛件的化學(xué)成分及性能要求

該渦輪盤鍛件的原材料采用牌號(hào)為GH4698的高溫合金，化學(xué)成分要求見表1，力學(xué)性能要求見表2。

鍛件不得存在過燒、過熱組織，表面不得存在空洞、針孔、裂紋、分層、疏松、環(huán)形偏析和外來(lái)夾雜等缺陷。GH4698屬鎳基高溫合金，該材料鍛造溫度范圍窄，為了獲得最佳使用性能，必須精確控制鍛造溫度，當(dāng)鍛件溫度降至再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行鍛造時(shí)，會(huì)對(duì)內(nèi)部組織造成嚴(yán)重影響，形成混晶。所以要滿足鍛件的質(zhì)量要求，必須合理分配鐓餅及模鍛過程中坯料的變形量，控制在50%～70%，模鍛過程中對(duì)坯料進(jìn)行硬包套，保證坯料能夠有較高的始鍛溫度，嚴(yán)格控制坯料在鍛造過程中的轉(zhuǎn)移時(shí)間及終鍛溫度。

表1 鍛件的化學(xué)成分(wt%)

表2 鍛件的力學(xué)性能

鍛造工藝方案

主要工藝路線

從下料開始直至鍛件的最終理化完成，確定了以下主要工藝路線，見圖1。

主要工藝過程

⑴下料。

圖1 鍛造工藝路線

用線切割對(duì)棒材進(jìn)行下料，車棒料兩端面、倒角，要求兩端面垂直度≤0.5°，線切割下料熱影響區(qū)單邊加工量1～2mm，倒角R20～R30mm，不允許打頂尖孔，每段棒料需標(biāo)記熔煉爐（代)號(hào)、錠節(jié)號(hào)、鍛件圖號(hào)，檢驗(yàn)人員需對(duì)棒料的尺寸、表面質(zhì)量、標(biāo)記內(nèi)容進(jìn)行核對(duì)。

⑵鐓餅。

鍛造設(shè)備為400MN液壓機(jī)，加熱設(shè)備為高溫電爐(爐溫均勻性±10℃)，加熱規(guī)范見圖2。

圖2 鍛件鐓粗加熱規(guī)范

1)硬包套：保溫材料、高溫合金粘結(jié)劑、石墨粉、0.8～1.5mm厚的1Cr18Ni9Ti不銹鋼板，常溫下對(duì)坯料進(jìn)行硬包套并做標(biāo)記；

2)爐溫均勻性校準(zhǔn)后須在有效期內(nèi)，毛料必須裝在控溫合格區(qū)內(nèi)。加熱前清掃爐膛，按錠節(jié)號(hào)裝爐，并記錄裝爐位置，毛料必須單層擺放，且料間距≥100mm。

鍛造技術(shù)要求：

1)坯料轉(zhuǎn)移時(shí)間≤30秒，鐓餅前坯料兩端面應(yīng)墊上撒有石墨粉的保溫材料；

2)終鍛溫度≥1000℃；

3)冷卻方式：去掉包套散開空冷；

4)吹砂、打磨：排除表面缺陷，其寬深比≥10。

鍛造工藝參數(shù)：將坯料鐓餅至φ775mm×(375±10)mm，詳細(xì)工藝參數(shù)如下。

1)空程階段：距零點(diǎn)1500～1300mm，速度110mm/s；

2)壓制階段：距零點(diǎn)1300～375mm，速度5mm/s。

⑶模鍛。

在400MN液壓機(jī)上進(jìn)行模鍛，加熱設(shè)備為高溫電爐(爐溫均勻性±10℃)，模具預(yù)熱溫度250～350℃，預(yù)熱時(shí)間≥12小時(shí)，模具潤(rùn)滑采用水基石墨；坯料同樣采用硬包套，模鍛加熱規(guī)范見圖3，鍛造技術(shù)要求同鐓餅工序，模鍛工藝參數(shù)如下。

1)空程階段：距零點(diǎn)950～350mm階段，速度110mm/s；

2)壓制階段1：距零點(diǎn)350～70mm階段(欠壓50mm)，速度 5mm/s；

3)壓制階段2：距零點(diǎn)70～25mm階段(欠壓5mm)，速度 1mm/s。

模鍛完成后對(duì)鍛件進(jìn)行首次粗加工、熱處理前探傷、熱處理(固溶+時(shí)效)、粗加工、最終探傷、理化檢測(cè)等工序。

數(shù)值模擬驗(yàn)證

運(yùn)用Simufact有限元分析軟件對(duì)工藝規(guī)程進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證，按照工藝規(guī)程選定數(shù)值模擬參數(shù)，分析模鍛溫度、壓制速度、荒形尺寸對(duì)最終鍛件的成形效果、應(yīng)變場(chǎng)及溫度場(chǎng)的分布影響，最終驗(yàn)證工藝規(guī)程的可行性，模擬結(jié)果見圖4～6。

圖3 鍛件模鍛加熱規(guī)范

圖4 應(yīng)變場(chǎng)模擬結(jié)果

圖5 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

圖6 成形效果模擬結(jié)果

通過分析圖4～6模擬結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)終鍛完成，渦輪盤鍛件除表面局部存在溫降區(qū)域，內(nèi)部其他部分溫度均在1000℃以上，鍛件內(nèi)部最高溫度1135℃，內(nèi)部最大溫升15℃；渦輪盤鍛件內(nèi)部所有區(qū)域等效應(yīng)變均在0.7以上，變形充分；成形過程未見異常，鍛件上下模充填良好，毛邊均勻。

以上數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證了該工藝規(guī)程的可行性，為后續(xù)試制生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)。

試制生產(chǎn)

按照制定好的工藝方案進(jìn)行試制生產(chǎn)，具體生產(chǎn)過程見圖7。終鍛完成后鍛件上下模充填良好、毛邊均勻，達(dá)到了鍛件圖的外形尺寸要求，最終粗加工交付件如圖8所示。

圖7 鍛件試制生產(chǎn)

表3 鍛件的力學(xué)性能

圖8 粗加工件

圖9 鍛件顯微組織

理化檢測(cè)

鍛件經(jīng)熱處理固溶、時(shí)效后，其力學(xué)性能見表3，顯微組織見圖9。鍛件經(jīng)理化檢測(cè)無(wú)過熱、過燒組織，晶粒度為2～3級(jí)，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足技術(shù)條件要求。

結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)首批試制及小批量生產(chǎn)證明，該工藝方案生產(chǎn)的渦輪盤鍛件滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)及使用要求，現(xiàn)已批量生產(chǎn)，效果良好。