鎳基高溫合金盤軸件模鍛折疊缺陷分析與質(zhì)量提升

文／李玉鳳，李曉婷，胡艷梅，洪鑫，趙東強(qiáng)·無(wú)錫透平葉片有限公司

基于理論與實(shí)踐，采用試驗(yàn)分析的方式對(duì)某GH4698 合金盤軸鍛件模鍛折疊缺陷進(jìn)行了定性分析，確定為折疊缺陷后，通過(guò)生產(chǎn)復(fù)查、數(shù)值模擬分析等方法對(duì)折疊缺陷的形成原因進(jìn)行了深入分析。結(jié)合鍛件質(zhì)量要求和生產(chǎn)條件對(duì)制坯工藝進(jìn)行了優(yōu)化，將其自由鐓粗優(yōu)化為胎模成形，通過(guò)試制獲得表面質(zhì)量和形位尺寸良好的坯料和無(wú)折疊缺陷的鍛件，為后續(xù)類似盤軸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的生產(chǎn)提供可靠的技術(shù)指導(dǎo)。

GH4698合金是鎳基時(shí)效沉淀強(qiáng)化型高溫合金，在500 ～800℃范圍內(nèi)具有很高的持久強(qiáng)度和良好的綜合性能，多用于內(nèi)燃機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)用渦輪盤、軸頸鍛件、緊固件等關(guān)鍵部件。由于其合金化程度較高，熱加工工藝窗口較窄，生產(chǎn)過(guò)程的控制難度大。該盤軸類鍛件高徑比為1.1，兼具盤類和軸類鍛件的結(jié)構(gòu)特征，為了獲得形狀尺寸和組織性能合格且變形均勻的鍛件，采用鐓擠復(fù)合成形工藝。該工藝對(duì)于坯料的設(shè)計(jì)和過(guò)程的控制要求較高，生產(chǎn)過(guò)程中鐓粗變形和擠壓變形的交匯區(qū)域容易出現(xiàn)折疊、反擠的端頭位置則容易出現(xiàn)填充不滿等缺陷。本文基于實(shí)際生產(chǎn)案例，采用逆向思維全面深入分析了模鍛過(guò)程折疊缺陷的成因并制定了有效的控制和預(yù)防措施，提高了生產(chǎn)效率和鍛件的成形質(zhì)量。

鍛件折疊缺陷分析

GH4698 合金某試驗(yàn)鍛件模鍛后在鍛件分模面靠上模的圓周面出現(xiàn)了一個(gè)明顯的折疊缺陷，缺陷最大輪廓尺寸為長(zhǎng)50mm、高7mm，深度未知，折疊缺陷的具體形態(tài)見圖1。為了確定缺陷沿鍛件徑向的深度并進(jìn)一步明確缺陷的性質(zhì)，在缺陷位置切取1 塊試樣進(jìn)行徑軸面低倍檢查。

圖2 展示了缺陷在鍛件徑軸面上沿徑向的尺寸和形態(tài)，由此可判斷缺陷的深度尺寸為12mm，裂紋折縫與鍛件的水平面有約30°的傾斜角，紋路與流線的方向相似；圖3 展示了裂紋尾端的形態(tài)，裂紋尾端出現(xiàn)了放射狀的分叉且折縫內(nèi)壁有明顯的氧化現(xiàn)象，因此可進(jìn)一步判定該缺陷為鍛造折疊缺陷。

鍛件折疊缺陷成因分析

折疊缺陷是鍛件成形過(guò)程中常見的表面缺陷，成因主要有以下4 種類型：①兩股或多股金屬對(duì)流匯集形成的匯流折疊；②變形過(guò)程中部分金屬壓入另一部分金屬形成的壓入型折疊；③金屬變形過(guò)程中，由于流動(dòng)失穩(wěn)發(fā)生彎曲折入的失穩(wěn)型折疊；④失穩(wěn)后匯流等混合型折疊缺陷。

基于以上理論分析對(duì)問題試驗(yàn)件的成形過(guò)程進(jìn)行了復(fù)查，并對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)合模擬數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)坯料與模具接觸后發(fā)生了輕微的失穩(wěn)，但成形后未發(fā)生折疊缺陷。經(jīng)分析坯料的高徑比為0.88，坯料失穩(wěn)是因?yàn)殓厰D復(fù)合成形工藝導(dǎo)致的輕微失穩(wěn)，為了進(jìn)步一查找試驗(yàn)件中折疊缺陷產(chǎn)生的原因，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行了復(fù)查。

對(duì)試驗(yàn)件生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行復(fù)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，坯料表面質(zhì)量差，形狀不規(guī)則，中心軸傾斜且圓周面上有明顯的內(nèi)凹。坯料偏斜和圓周面內(nèi)凹容易加劇坯料在成形過(guò)程中的失穩(wěn)，因此根據(jù)坯料實(shí)物圖的形狀尺寸建立了數(shù)值模擬模型，通過(guò)數(shù)值模擬再現(xiàn)表面質(zhì)量欠佳的坯料成形過(guò)程。

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，坯料在成形過(guò)程中圓周面內(nèi)凹區(qū)域出現(xiàn)了明顯的折疊缺陷，折疊缺陷的形成過(guò)程如圖4 所示，坯料內(nèi)凹和傾斜加劇了坯料失穩(wěn)，材料與模具圓周面接觸后內(nèi)凹區(qū)域的材料隨著成形過(guò)程發(fā)生彎折被壓入鍛件，最終形成了折疊缺陷。數(shù)值模擬顯示的折疊缺陷位置與鍛件折疊缺陷位置一致，均位于上?？拷帜Ｃ娴奈恢谩Ｒ虼?，坯料形狀歪斜和局部?jī)?nèi)凹加劇了坯料成形過(guò)程失穩(wěn)，材料彎折被壓入鍛件形成試驗(yàn)件折疊缺陷。

鍛件折疊缺陷預(yù)防及工藝優(yōu)化

結(jié)合數(shù)值模擬分析可知，試驗(yàn)件缺陷形成原因?yàn)榕髁闲螤畈灰?guī)則且表面質(zhì)量差，原坯料自由鐓粗的成形方式?jīng)Q定了坯料表面質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性不可控，為了提高坯料成形質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性對(duì)制坯工藝進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了如圖5 所示的胎模，用于約束坯料的軸度和表面質(zhì)量。

采用自由鐓粗成形的坯料有鼓肚，胎模成形的坯料圓周面無(wú)鼓肚，坯料的形狀更規(guī)則。為了驗(yàn)證胎模成形的坯料對(duì)鍛件成形質(zhì)量沒有影響，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)模鍛過(guò)程進(jìn)行了分析，模擬結(jié)果見圖6 和圖7，自由鍛成形坯料和胎模成形坯料的模鍛溫度場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)差異較小且無(wú)折疊缺陷產(chǎn)生，說(shuō)明該胎模制坯工藝具有可行性。因此進(jìn)行了試制驗(yàn)證，獲得圖8 所示坯料，坯料表面質(zhì)量良好且形狀規(guī)則，模鍛后鍛件表面質(zhì)量良好無(wú)折疊缺陷。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)分析、理論分析和數(shù)值模擬對(duì)比分析，確認(rèn)自由鐓粗制坯導(dǎo)致坯料發(fā)生歪斜且表面質(zhì)量差，模鍛后坯料表面內(nèi)凹區(qū)域發(fā)生彎折，隨著材料流動(dòng)被壓入鍛件形成折疊缺陷，屬于失穩(wěn)壓入復(fù)合型折疊缺陷。通過(guò)對(duì)制坯工藝進(jìn)行優(yōu)化將自由鐓粗優(yōu)化為胎模成形，獲得表面質(zhì)量良好形狀規(guī)則的坯料，經(jīng)試制驗(yàn)證優(yōu)化工藝可行，胎模獲得的坯料質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性較好，模鍛后溫度場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)滿足模鍛變形要求且無(wú)折疊缺陷。