GH4169合金環件精密軋制

葉俊青,鄒善垚,李　明,袁　慧,羅　通,王宇鋒

(安大航空鍛造有限責任公司， 貴州 安順　561005)

GH4169是一種鐵-鎳-鉻基的變形高溫合金，對熱加工工藝特別敏感[1-4]，具有較高的拉伸強度、屈服強度、持久強度及良好的塑性[5]，使該材料廣泛應用于飛機及發動機的緊固件.。本文針對航空發動機的GH4169機匣鍛件生產工藝，在原工藝基礎上通過設計優化、數值模擬、改進設計、試造驗證等工步，最終采用了材料率用較高、綜合性能較好的軋制工藝。

1　軋制工藝及原材料

1.1　設計優化

圖1為原工藝鍛件圖[6]，圖2為優化工藝鍛件圖，優化后的鍛件余料比原鍛件少，單面僅有5 mm的加工余量，且優化后的鍛件形狀復雜，型面較多，在軋制時易出現尖角及筋高充填不滿，同時優化后的鍛件也存在變形不均勻、局部過熱，易引起混晶[7]。所生產的軋制成形件必須滿足設計要求，避免混晶，組織細小均勻，滿足相應標準要求。

鍛件采用鐓粗、沖孔、擴孔、脹形、預軋、終軋工步成形，始鍛溫度1 010 ℃。

棒材頭部晶粒度：中心、1/2半徑處均為6級，頭部外徑處為7級，分別見圖3。

棒材尾部晶粒度：中心、1/2半徑處均為6.5級，尾部外徑處為8級，見圖4。低倍照片見圖5。除邊緣區域外，棒材組織整體良好。

圖1原工藝鍛件圖

圖2優化工藝鍛件圖

1.2　有限元數值模擬及工藝優化

異形環軋制時填充模具型腔的效率，是由中間預制坯尺寸與軋制模具的匹配性決定的，使用Deform-3D有限元模擬軋制成形[8]過程(見圖6)分析可知，中間預制坯高度尺寸特別是筋高尺寸的設定是軋制成功的關鍵，筋高的設定直接影響后期的軋制穩定性及成形效率。而中間預制坯的高度是由脹形前的鐓粗高度決定的，因此，設計一個合理的鐓粗高度、矩形環坯脹形時高度、異形中間預制坯的筋高是軋制成功的關鍵。

根據Deform-3D有限元模擬模具填充結果，模具填充，成形時高度方向尺寸容易出現尺寸超下差，鍛件鐓粗制坯高度低，會使得脹形后中間預制坯高度低，后續軋制時金屬往小頭端流動，大量材料淤積在小頭處，導致異形環最終尺寸大頭處尺寸軋制合格，小頭端內外徑尺寸偏小，高度下超差。而異形中間預制坯實際尺寸與工藝設計中理想的中間預制坯的形狀不一致，加劇了環件最終尺寸與設計的偏差(見圖7)。

因此，設計合理的鐓粗高度(工藝設計高度比模擬設定高度高0～5 mm)，使用胎模制坯，提高異形中間預制坯與模具的匹配性能解決鍛件高度尺寸超差及局部填充不滿的問題。

根據上述理論，調整中間坯尺寸及脹形時高度縮減量。脹形高度縮減量與矩形環坯的厚度及沖頭的斜度有關，經檢測，此矩形環坯在公差為±5 mm時的脹形高度縮減量為H=12～18 mm，因此，可推算出平高度后的異形中間高度H1=233～238 mm，矩形中間坯高度H2=245～256 mm，鐓粗高度H3=261±5 mm。

按此高度參數再次再次模擬成形，模具填充狀況有較大改善，結果見圖8。

2　試驗驗證和理化檢測

根據有限元分析及計算結果投產試造。鍛件成形后尺寸如圖9所示，優化后的鍛件與優化前的鍛件如圖10所示。

經檢測，優化后鍛件比優化前減重95 kg。鍛件粗加工用時減少2天，加熱時間減少大約5 h。

軋制成形件按圖11及表1要求進行理化檢測。鍛件的晶粒度基本均勻，1#、2#、7#、8#位置9級，3#～6#位置10級(見圖12)，力學性能檢測結果見表2、表3、表4。

序號檢驗項目取樣位置取樣方向取樣數量1室溫拉伸1#、2#、3#、4#弦向各22高溫拉伸1#、2#、3#、4#弦向各23高溫持久拉伸1#、2#、3#、4#弦向各24硬度①②③④⑤⑥⑦⑧弦向各15高倍①②③④⑤⑥⑦⑧徑軸面各1

與優化前的鍛件相比，優化后的鍛件力學性能穩定，優化后的鍛件各部位的晶粒度級差小，優化前后均未出現局部混晶現象，滿足航空發動機的使用標準要求。

表2　力學性能檢測(室溫拉伸)

表3　力學性能檢測(高溫拉伸)

表4　力學性能檢測(高溫持久拉伸)

3　結論

1) 采用了Deform-3D有限元分析軟件對GH4169機匣鍛件的成形過程進行了模擬分析，根據模擬結果改進了成形工藝，避免了軋制成形缺陷的產生。

2) 異形環鍛件工藝設計的鐓粗高度參數設定對中間預制坯及鍛件成形尺寸影響較大。通過調整鐓粗高度能有效改善軋制穩定性及成形效率。

3) 異形環軋制成形件設計時，可以通過改進中間尺寸提高中間預制坯和軋制模具模腔的匹配性，中間預制坯設計合理能提高軋制穩定性，減少局部變形，得到好的鍛件高倍組織。

4) 與原工藝相比，優化工藝能節約原材料消耗，提高了材料利用率，減少加工時間，縮短生產周期，降低加熱保溫時間，節約能源，降低生產成本。

5) 本工藝可以為同類產品生產提高參考。

參考文獻：

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[3]郭建亭.高溫合金材料學:上冊[M].北京：科學出版社，2008:17-43.

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[7]呂宏軍,姚草根.GH4169合金細晶成形工藝與機理及其性能研究[J].機械工程材料,2003,27(1)：15-17.

[8]李傳民,王向麗,閆華軍.DEFORM5.03金屬成形有限元分析實例指導教程[M].北京：機械工業出版社，2007.