IN718 合金低壓渦輪機匣整體精密成形研究

文／盧熠，羅鴻飛，吳永安，王華東·貴州航宇科技發展股份有限公司

低壓渦輪機匣(圖1）是航空發動機關鍵零件，該零件為碗狀，屬典型大錐形、大高度異形環件，大、小頭截面面積差異大，零件壁厚薄，加工時易產生變形。零件材料為IN718，該合金在鍛造過程中，過程參數如加熱溫度、保溫時間、轉移時間、工模具預熱溫度、軋制曲線、終鍛溫度等控制對其性能及一致性影響極大。采用傳統方式生產該類鍛件是先將坯料制備成矩形，通過等截面轉換的方式，利用掰形沖頭將鍛件制成異形中間坯后，再通過異形軋制的方式成形。采用該方式生產的鍛件材料利用率低、制造成本高、加工后及使用過程中易變形。

圖1 低壓渦輪機匣零件示意圖

目前，用于國產商用航空發動機的低壓渦輪機匣投料重量為1327kg，鍛件重量為1122kg，交付重量為577kg，鍛件材料利用率僅為51%，環軋件到零件的材料利用率低于15%。此次試制的低壓渦輪機匣鍛件通過整體精密成形(圖2），低壓渦輪機匣鍛件重量降低至650kg，鍛件材料利用率可提升至80%，節約原材料約580kg，僅原材料節約降低成本20 多萬元，大幅降低低壓渦輪機匣制造成本。

關鍵技術

異形坯料脹形制坯技術

圖2 機匣毛坯對比

低壓渦輪機匣難以采取矩形截面環形中間坯直接軋制成形，需要制成矩形坯料后再脹形實現分料。該技術關鍵點是矩形中間坯設計及脹形模具設計，中間坯的設計需考慮制坯時的可行性及成形后的材料分配，通過兩套脹形沖頭及胎模逐步增大坯料斜度、成形大頭外法蘭，得到滿足要求的異形坯料。鍛件脹形過程示意圖見圖3。

大錐度環件精密軋制成形過程控制技術

鍛件采用徑-軸雙向聯合軋制進行整體精密軋制成形，使鍛件成形形狀接近于零件形狀，提高了材料利用率。鍛件的整體精密軋制過程控制涉及的因素較多，對加熱參數、轉移時間、軋制速度、軋制時間、工裝預熱溫度、終鍛溫度等嚴格控制，保證軋制過程穩定一致，提高環件變形的均勻性及一致性。通過對鍛件進行全流程數值模擬(圖4），結合IN718 材料特性試驗取得的數據，揭示不同工藝條件對鍛造過程和環件質量的影響，優化了工藝參數和坯料設計，從而極大地提高了環件軋制工藝設計質量，減少了工藝設計的盲目性。

圖3 異形坯料脹形制坯示意圖

圖4 鍛件生產過程數值模擬

大錐度精密環件低應力制造技術

目前生產的環形鍛件基本未進行脹形處理，環件的尺寸精度主要靠環件終軋時控制，受現有的環軋設備精度和軋制技術的制約，環件的尺寸精度較差，需靠加大加工余量來保證零件尺寸。另外，目前采用傳統環軋工藝生產的環形鍛件，存在內應力分布不均、殘余變形大等問題，在后續的零件加工及使用過程中出現變形，影響航空發動機的裝配及使用。本次生產的鍛件采用大錐度精密環件低應力制造技術，對鍛件進行整體精密脹形，鍛件成形時預留約1%的變形量進行脹形，通過脹形使得環件內部的應力重新分布，改善原鍛件應力分布情況，確保了環件的形狀、尺寸精度，保證了環件內應力均勻，減少后續產品機加變形。整體精密脹形的數值模擬結果見圖5。

生產情況及結果分析

鍛件成形情況

按照上述關鍵技術生產的鍛件形狀尺寸及表面質量良好，產品尺寸滿足加工要求，如圖6 所示。

鍛件理化測試結果

⑴鍛件應力測試結果。

鍛件熱處理完成后按圖7 要求在小頭端面進行了8 處位置的殘余應力測試，與未經過整體精密脹形的同一圖號鍛件進行了對比，應力分布雷達圖見圖8。

通過殘余應力測試結果可以看出兩環件應力均值差別不大，但經過整體精密脹形的鍛件應力分布均勻性明顯好于未經過脹形的鍛件。

⑵鍛件高倍組織及力學性能結果。

圖5 脹形過程模擬結果

生產完成后，按圖9 所示解剖鍛件并進行全面質量評估，每個鍛件分別在周向相隔120°的1 區域1 位 置、2 區 域2 位 置、3 區域3 位置切取試樣進行性能檢測，并在每個鍛件上切取一片橫截面試樣進行全截面網格組織檢查，鍛件力學性能測試結果如表1 所示，網格劃分及晶粒度分布分別如圖10、圖11、圖12、圖13 所示。從結果可以看出，鍛件的各項性能均能滿足驗收標準的要求，組織均勻性較好，平均晶粒度為6.5 ～7.5 級，個別粗晶為5 ～6 級，均不存在混晶組織。

圖6 鍛件實物照片及機加后照片

圖7 殘余應力檢測位置示意圖

圖8 小端面應力分布對比

表1 鍛件力學性能測試結果

圖9 理化測試取樣示意圖

圖10 鍛件晶粒度網格劃分示意圖

圖11 鍛件4-1A 部分晶粒度分布圖

結論

圖12 鍛件4-1B 部分晶粒度分布圖

圖13 鍛件4-1C 部分晶粒度分布圖

經生產實踐驗證，異形坯料脹形制坯技術、大錐度環件精密軋制成形過程控制技術以及大錐度精密環件低應力制造技術生產的低壓渦輪機匣鍛件，成形效果良好，尺寸滿足零件加工要求，鍛件應力分布均勻，組織均勻良好。