某航空發(fā)動(dòng)機(jī)用GH4065A合金低壓渦輪盤(pán)鍛件研制

羅 陽(yáng)，張文云，陳麗芳，張北江

（1.西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326；2.北京鋼研高納科技股份有限公司，北京 100081；3.鋼鐵研究總院有限公司高溫材料研究所，北京 100081）

0 前言

渦輪盤(pán)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的熱端部件之一，如圖1所示。其服役環(huán)境極為苛刻，新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)用渦輪盤(pán)的工作溫度已超過(guò)700℃，為此，我國(guó)近年開(kāi)始研制750℃級(jí)鎳基高溫合金渦輪盤(pán)材料GH4065A合金。該合金成分既含有高含量的固溶元素W、Mo，又含有較高含量沉淀強(qiáng)化元素Ti、Al、Nb（鋁、鈦、鈮含量之和達(dá)到6.5%），強(qiáng)化相γ′含量達(dá)到42%[1]。高合金化程度雖然可明顯改善合金的性能，但也給合金熱變形和組織性能調(diào)控帶來(lái)了極大難度。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)GH4065A制備技術(shù)、組織和性能調(diào)控等方面進(jìn)行了諸多研究，但對(duì)其鍛造成形研究鮮有報(bào)道。本文以新一代先進(jìn)渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)用低壓渦輪盤(pán)為研究對(duì)象，采用鑄-鍛工藝生產(chǎn)750℃級(jí)變形高溫合金低壓渦輪盤(pán)，結(jié)合數(shù)值模擬的方法，確定了最佳的成形工藝方案，并進(jìn)行了生產(chǎn)試制，得到晶粒度及力學(xué)性能符合要求的鍛件，滿足了先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)發(fā)展需求。

1 鍛造成形工藝方案分析

1.1 鍛件信息

本文選取典型低壓渦輪盤(pán)鍛件作為研究對(duì)象。鍛件的最大外形尺寸為?1 180 mm×?880 mm×130 mm，重量為548 kg，材質(zhì)為GH4065A。從該渦輪盤(pán)鍛件的形狀尺寸，判斷其屬于大型矩形截面環(huán)鍛件，如圖2所示。

圖2 低壓渦輪盤(pán)鍛件簡(jiǎn)圖

1.2 鍛件的組織和性能要求分析

GH4065A屬于高合金化難變形高溫合金，突出表現(xiàn)為熱塑性差，熱加工窗口范圍小，變形抗力高，組織控制困難。該鍛件的晶粒度要求細(xì)小，性能要求高。而在整個(gè)制造流程中材料要經(jīng)過(guò)多次加熱和變形，在反復(fù)加熱和變形過(guò)程中組織受到熱-力的耦合作用會(huì)發(fā)生一系列變化，從而可能會(huì)引起混晶等組織問(wèn)題，這成為鍛件制備過(guò)程中的組織控制難點(diǎn)。GH4065A合金的使用性能與晶粒大小及均勻性關(guān)系密切，晶粒細(xì)化有助于提高合金強(qiáng)度及疲勞性能。相反，粗大且不均勻的晶粒會(huì)使合金的疲勞和持久性能明顯降低，并且使缺口持久性能更加敏感[2]。為了獲得最佳的使用性能，主要靠嚴(yán)格控制鍛造工藝來(lái)達(dá)到要求。為此必須精確控制鍛造溫度、變形速度，合理分配各階段變形量，從而使鍛件獲得均勻的晶粒組織。鍛造過(guò)程需對(duì)坯料進(jìn)行軟包套，保證坯料能有較高的始鍛溫度，嚴(yán)格保證模具使用溫度，嚴(yán)格控制坯料在鍛造過(guò)程中的轉(zhuǎn)移時(shí)間及終鍛溫度。

其次，高質(zhì)量的原材料棒坯也是制備優(yōu)質(zhì)盤(pán)件的前提。原材料棒坯晶粒度也應(yīng)進(jìn)行控制，若棒坯存在粗晶或鑄態(tài)組織殘留，很難在后續(xù)熱成形過(guò)程中被徹底清除。盤(pán)件的制備需用到?350 mm大規(guī)格細(xì)晶棒材，具體路線為：通過(guò)三聯(lián)熔鑄工藝制備大尺寸自耗重熔錠，經(jīng)多段均勻化處理后將鋼錠在快鍛機(jī)上實(shí)現(xiàn)鍛造開(kāi)坯，充分破碎鑄態(tài)組織，然后經(jīng)反復(fù)鐓拔工藝制備出細(xì)晶棒材[3]。棒材通過(guò)制坯+模鍛工序完成盤(pán)件的制備，最后通過(guò)熱處理對(duì)組織和性能進(jìn)行調(diào)控。

1.3 鍛件成形方案分析

針對(duì)此類(lèi)環(huán)形鍛件，成形工藝可采用鐓粗+沖孔+環(huán)軋（擴(kuò)環(huán)）或鐓餅+模鍛方式。環(huán)軋方式尺寸精度高、機(jī)械加工余量小且材料利用率高，軋制過(guò)程變形均勻，坯料表面溫度不會(huì)降低，更有利于獲得晶粒度均勻的組織。相比軋環(huán)，采用自由鍛擴(kuò)孔成形的鍛件的表面質(zhì)量差，錘擊次數(shù)多，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，若鍛造過(guò)程溫度控制不當(dāng)極易造成混晶組織。而鐓餅+模鍛方式消耗金屬量過(guò)大，目前還不具備制備更大規(guī)格棒材的能力，且存在模鍛過(guò)程成形載荷大、坯料環(huán)向無(wú)變形等問(wèn)題。故為了降低投料量，節(jié)約成本，降低模鍛成形載荷，同時(shí)滿足該鍛件高性能要求，我們最終決定采用鐓粗+沖孔+軋環(huán)+模鍛的復(fù)合成形方式，環(huán)坯尺寸要給模鍛留有足夠大的變形程度。通過(guò)制坯+環(huán)軋+模鍛方式達(dá)到組織和性能調(diào)控，降低了材料組織性能的各項(xiàng)異性，達(dá)到晶粒細(xì)化的目的。

通過(guò)以上分析，擬定GH4065A合金低壓渦輪盤(pán)鍛造工藝路線為：下料→加熱→鐓粗→加熱→沖孔→機(jī)加→加熱→環(huán)軋→機(jī)加→加熱→模鍛。

2 數(shù)值模擬分析

鍛造工藝路線制定后，采用DEFORM軟件對(duì)模鍛成形工序進(jìn)行模擬分析，分析變形溫度、變形速度、環(huán)坯尺寸對(duì)最終鍛件成形效果、應(yīng)變場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布的影響，驗(yàn)證工藝參數(shù)的可行性。模鍛成形過(guò)程如圖3所示，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖3 模鍛成形過(guò)程

圖4 模鍛結(jié)束后坯料的溫度、應(yīng)變分布以及成形載荷分析

模擬結(jié)果表明：模鍛完成后，鍛件整體溫度范圍在920～1 110℃。與模具接觸的鍛件，由于熱交換而損失熱量，其表面溫度較低，約為920～1 050℃；鍛件內(nèi)部最高溫度為1 110℃，滿足GH4065A合金對(duì)鍛造溫度的要求；鍛件內(nèi)部所有區(qū)域等效應(yīng)變均介于0.036～1.91間，探傷尺寸范圍應(yīng)變分布較均勻，變形充分；模鍛成形過(guò)程未見(jiàn)異常，當(dāng)欠壓為80 mm時(shí)，模具型腔剛好充滿，產(chǎn)生的飛邊分布均勻。模鍛成形載荷在成形過(guò)程的開(kāi)始階段，載荷變化均很緩慢；到了終了階段，隨著模具的繼續(xù)下壓，載荷越來(lái)越大，并且在最后階段載荷迅速上升達(dá)到最大值。終鍛的成形過(guò)程中，達(dá)到的最大成形載荷為13 400 t，在設(shè)備承荷能力范圍內(nèi)。

通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證了工藝參數(shù)的可行性，為試制生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

3 成形模具設(shè)計(jì)

考慮到模具體積較大，制作成本高，將模具設(shè)計(jì)為模芯與模套的裝配形式，以達(dá)到降低模具成本的目的。針對(duì)難變形高溫合金，為了降低平均單位壓力，減小模鍛壓力，我們將模具型腔深度進(jìn)行了預(yù)薄，降低高度方向尺寸；同時(shí)將模芯設(shè)計(jì)成無(wú)飛邊槽結(jié)構(gòu)，分模面代替毛邊槽，多余的金屬流入分模面，將來(lái)自毛邊槽的阻力大大降低，從而降低了平均單位壓力，所以模鍛壓力也就變小。下模底部采用雙凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，一方面可以減少坯料與下模底部的接觸面積，避免由于接觸時(shí)間太長(zhǎng)從而使得鍛件溫度下降太快而影響鍛件質(zhì)量；另一方面可以增加鍛件變形量，起到減小鍛件定位部位死區(qū)的作用。模具簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 模具簡(jiǎn)圖

4 生產(chǎn)驗(yàn)證

按照既定的工藝方案及試制大綱進(jìn)行試制生產(chǎn)，采用100 MN自由鍛壓機(jī)進(jìn)行鐓餅、沖孔，坯料經(jīng)過(guò)環(huán)軋后，采用300 MN模鍛壓機(jī)進(jìn)行模鍛。試制過(guò)程順利，生產(chǎn)過(guò)程實(shí)物如圖6所示，軋制環(huán)坯表面質(zhì)量良好，終鍛完成后鍛件成形良好，毛邊均勻，形狀和尺寸完全滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 生產(chǎn)過(guò)程實(shí)物

5 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)生產(chǎn)試制情況，對(duì)鍛件粗加工后進(jìn)行熱處理，選擇如圖7中與零件相對(duì)應(yīng)位置作為典型部位，對(duì)鍛件進(jìn)行全解剖取樣。

圖7 低壓渦輪盤(pán)鍛件解剖取樣圖

檢測(cè)結(jié)果如下：

（1）鍛件低倍組織：無(wú)肉眼可見(jiàn)的縮孔、疏松、裂紋、夾雜和偏析等冶金缺陷。

（2）鍛件高倍組織：按圖7（b）所示分別對(duì)輪轂、輪緣、輻板位置進(jìn)行徑、軸向高倍觀察，不同部位組織形貌如圖8所示。從圖中可知，鍛件不同部位的組織均呈現(xiàn)典型γ+γ′雙相細(xì)晶組織，不同區(qū)域晶粒度均達(dá)到10級(jí)，極差在0.5級(jí)，晶粒尺寸在10 μm左右，晶界上分布有大量的1～2 μm大尺寸γ′相，無(wú)明顯的條帶和混晶組織。各典型部位的組織說(shuō)明鍛件變形量充分，得到了均勻性較好、較為理想的鍛件組織。更為重要的是，均勻、細(xì)化的晶粒能夠大大改善超聲波穿透性，提高鍛件無(wú)損探傷通過(guò)率。

圖8 鍛件各部位的顯微組織

（3）力學(xué)性能：按圖7（a）所示分別對(duì)輪轂、輪緣、輻板位置進(jìn)行400℃及650℃高溫拉伸測(cè)試，鍛件力學(xué)性能檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，鍛件的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均能滿足技術(shù)要求，整體性能波動(dòng)較小，400℃抗拉強(qiáng)度超過(guò)1 500 MPa，各部位一致性較高；650℃抗拉強(qiáng)度超過(guò)1 400 MPa，其中輻板A和輻板C位置比其他部位低30 MPa左右，這主要是因熱處理冷卻過(guò)程各部位冷卻差異導(dǎo)致的。性能波動(dòng)在可接受的范圍內(nèi)。

圖9 解剖件不同部位拉伸性能

（4）探傷：對(duì)解剖件采用水浸超聲掃描的方式進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果滿足AAA級(jí)探傷要求，噪聲當(dāng)量在0.15左右，探傷通過(guò)性好，無(wú)超標(biāo)缺陷，組織均勻性好，無(wú)明顯的粗晶組織。另外，底損一致性好，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)GH4065A低壓渦輪盤(pán)鍛件成形工藝進(jìn)行分析和仿真模擬，確定了其生產(chǎn)工藝并進(jìn)行了試制。鍛件理化檢測(cè)結(jié)果表明，所制定的鍛造成形工藝方案可行，能夠生產(chǎn)出探傷合格、滿足力學(xué)性能和金相組織要求的鍛件，為今后生產(chǎn)同類(lèi)型鍛件積累了技術(shù)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。