2m級大尺寸高溫合金機匣精密成形工藝研究

王清，羅鴻飛，佟健2，王建國3,4，孔令偉3，吳永安，劉東3,4，王華東

（1.貴州航宇科技發展股份有限公司，貴陽 550081；2.中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，沈陽 110041；3.西北工業大學 材料學院，西安 710072；4.西北工業大學 重慶科創中心，重慶 401120）

沉淀強化型鎳基高溫合金GH4169以其良好的抗疲勞、抗氧化性能，較高的高溫強度以及良好的持久性能，被廣泛應用于制造航空發動機和燃氣輪機的機匣、盤、葉片等高溫結構部件[1—3]。GH4169合金也因其變形抗力大、熱加工窗口窄、力學性能對顯微組織敏感等特點成為高溫合金中組織性能最難控制的牌號之一[4—6]。國內大尺寸GH4169合金機匣零件多采用分段軋制+焊接成形的方法制造[7—8]，不僅導致材料利用率和零件整體性能偏低，而且還需解決焊接過程引發的變形問題。隨著我國先進裝備對動力需求的不斷增加，燃氣輪機和航空發動機機匣類零件的尺寸也越來越大，對其也提出了大型化、異形化、精密化的發展需求，因此采用整體精密軋制成形已經成為航空發動機和燃氣輪機機匣鍛件成形的普遍選擇。

2013年，貴州航宇首次鍛造成形質量達4.7 t的GH4169合金異形環鍛件[9]，鍛件尺寸達1.95 m，然而該鍛件設計精密度偏低，材料利用率較低，零件加工周期較長。異形環鍛件軋制初始均采用矩形截面環坯軋制成形，由此容易導致環件截面整體變形不均勻，加劇了對難變形合金的顯微組織和力學性能的控制難度。西北工業大學曾對GH4738合金異形環件的成形過程進行數值模擬，發現異形環件的應變、溫度等熱力參數的分布均勻性明顯較低，因此提高鍛件成形熱力參數分布的均勻性[10]，對于提高大尺寸的高溫合金異形環鍛件顯微組織和力學性能的均勻性具有決定性意義。顧青采用體積補償方法設計了GH4169合金異形環鍛件的坯料，但環鍛件最終采用模鍛成形。除環件坯料的設計之外，針對高溫合金顯微組織演化規律的研究也是確保鍛件組織性能的基礎。杜金輝[11—13]、董建新[14—17]、藺永誠[18—20]、張士宏[21—23]、劉東[24—26]等對GH4169合金的顯微組織演化規律做了多年系統的研究，為2 m級大尺寸高溫合金機匣鍛件的精密成形提供了理論依據。

文中以某型號燃氣輪機用2 m級大尺寸高溫合金機匣為對象，通過數值模擬優化了環件精密成形工藝，對制坯及環軋過程的熱力參數進行分析，并將其與組織性能結果進行對比，成功獲得了組織性能滿足要求的GH4169合金精密環件，鍛件成形精度及材料利用率大幅度提高。

1 試驗

采用直徑為Ф600 mm的GH4169合金棒材，化學成分如下（質量分數）：C為0.029%，Cr為18.12%，Mo為2.98%，Nb為5.38%，Ti為0.95%，Al為0.52%，Ni為53.99%，Co為0.21%，S為0.0006%，P為0.011%，B＜0.005%。棒材晶粒度為ASTM 3—4級。棒材經鐓粗、沖孔、馬架矩形環坯、預鍛異形環坯、異形軋制成形為所需鍛件，鍛件經精細設計后，如圖1所示。鍛件的斜度約18°，高度為760 mm左右，大小端直徑差約為600 mm。通過胎模制坯分3次將馬架所得矩形環坯制成異形環坯，其成形過程示意如圖2所示。首先用沖頭預成形斜面，然后沖頭繼續壓下成形環坯斜面，同時成形大頭法蘭，再將整套模具翻面，成形小頭法蘭，最后使用異形環坯軋制成最終鍛件。

圖1 2 m級GH4169合金精密環件鍛件Fig.1 Drawing of GH4169 alloy precision ring forging with 2-meter diameter

圖2 異形環坯成形方案Fig.2 Forming scheme of shaped ring blank

采用有限元商用軟件對異形環坯和最終環件成形過程進行數值模擬，有限元參數設置見表1，其中坯料與模具的表面輻射率均為0.25，環境溫度均為20 ℃，坯料-模具換熱系數為2000 W/（m·℃），坯料-空氣換熱系數為20 W/（m·℃），摩擦因數為0.3，以此確定坯料設計合理性和異形環件的熱力參數分布，并與采用矩形坯料成形的環件熱力參數進行了對比。有限元模擬過程中，高溫合金的材料模型根據ZHU X等[27]建立的GH4169高溫合金本構關系建立。環件軋制完成后，經960 ℃固溶1 h油冷，隨后經720 ℃保溫8 h，55 ℃/h爐冷至620 ℃保溫8 h后空冷后，分別進行顯微組織和力學性能測試，試樣取樣位置如圖3所示。

表1 有限元模擬參數設置Tab.1 Finite element simulation parameters

圖3 顯微組織和力學性能取樣位置示意圖Fig.3 Sample position for microstructure and mechanical properties analysis

2 結果及討論

2.1 有限元模擬結果及實際環件

GH4169合金異形環坯各成形工序的等效應變分布如圖4所示?？梢钥闯觯谝还ば蚺髁系刃兲幱?.125～0.5之間，應變主要集中于軸向上2/3區域，軸向下1/3區域的等效應變較小，而且存在明顯的鐓粗變形，變形帶呈現典型的45°切應變分布特點。第二工序變形集中于大端面區域，等效應變達0.5以上。第三工序變形集中于小端面區域，等效應變在0.375以上。從累積變形結果分析，異形環坯的大小端面變形較大，而中間傾斜部分的變形較小，而且要經歷后續2個火次的加熱過程，將增加中間傾斜部位的組織控制難度。

圖4 預鍛異形環坯等效應變分Fig.4 Effective strain distribution of preformed shaped ring blank

GH4169合金大尺寸精密環件采用異形環坯和矩形環坯的等效應變分布如圖5所示，可以看出，采用異形環坯的等效應變較為均勻（見圖5a），整體等效應變在0.375以上，大小端面的外環面區域等效應變較大，達到1.0以上。采用矩形環坯的等效應變分布均勻性明顯低于異形環坯，在大端面的內側和小端面與傾斜區域的外側，等效應變較大，可達3.0以上，其余部位的等效應變達1.5以上。經模擬計算，采用異形環坯軋制成形所需軋制力約為500 t，而采用矩形環坯軋制所需軋制力約為1000 t，由此對軋制設備的能力提出了更高的要求。采用矩形環坯軋制成形，等效應變分布均勻性較低，易出現環件組織不均勻、殘余應力高等問題，因此采用異形環坯軋制是完成2 m級高溫合金精密環件成形的優選方案。

圖5 精密軋制大尺寸環件等效應變分布Fig.5 Effective strain distribution of large precision ring

GH4169合金大尺寸精密環件的坯料和最終成形環件實物如圖6所示，可以看出，實際坯料和環件成形完整、無成形缺陷，說明有限元模型設計合理、數據準確。矩形環中間坯的上端面存在明顯的尺寸差異，這是因為矩形環中間坯采用馬架擴孔成形，屬自由鍛方式。GH4169合金變形抗力大，對終鍛溫度的要求高，因此需采用多火次小變形量漸進成形。工序的增加必然增加了鍛件尺寸控制的難度，使矩形環坯兩側的高度尺寸存在差異。

2.2 大尺寸環件的顯微組織與力學性能

圖7為2 m級GH4169高溫合金異形環件的顯微組織，可以看出，各位置晶粒尺寸相對均勻，平均晶粒尺寸約為ASTM 4級，同時可以觀察到位置1和位置9的晶粒尺寸略大，位置5出現個別的大晶粒。數值模擬結果顯示，位置1，5，9在變形結束時的等效應變分別為2.16，0.47，1.83，變形結束的溫度分別為1022，1006，1032 ℃，其余位置的等效應變在0.6～0.9，溫度在950～1010 ℃。經對比發現，位置1和9的變形量較大，變形溫升較高，已經超過GH4169合金中δ相的溶解溫度，這是引發晶粒尺寸偏大的主要原因。位置5出現個別大晶粒的主要原因可歸結于制坯過程中該位置經歷2次加熱過程而無變形過程，而且在軋制成形過程中變形量較小，導致個別大晶粒殘留。

圖6 環坯及成形環件Fig.6 Blank and rolled ring

圖7 2 m級GH4169高溫合金異形環件的顯微組織Fig.7 Microstructure of 2-meter GH4169 superalloy shaped ring

表2和表3為GH4169合金環件室溫和高溫拉伸性能，可以看出，該環件的整體拉伸性能較為理想。室溫拉伸性能中，抗拉強度均大于1360 MPa，屈服強度均大于1110 MPa，斷后伸長率均大于23%，收縮率均大于32%；高溫拉伸性能中，抗拉強度最低為1089 MPa，屈服強度最低為913 MPa，伸長率最低為29%，收縮率最低為32%。位置4與位置5的兩試樣的塑性偏低，兩位置均從環件傾斜區域的軸向取樣。對比數值模擬與顯微組織的結果發現，該位置存在經歷2次高溫加熱且未變形的現象，顯微組織顯示該部位存在個別大晶粒，而且環軋過程主要為徑/周向變形，軸向變形較小，這是導致兩位置塑性偏低的主要原因。

表4為GH4169合金環件持久性能，可以看出，該環件的整體持久性能較為理想，持久壽命達54.0 h以上，伸長率大于18%。相同地，位置4與位置5試樣的壽命較低，位置5的試樣伸長率較低，其主要原因仍是該部位顯微組織存在個別大晶粒。

表2 GH4169高溫合金異形環件的室溫拉伸性能Tab.2 Room temperature tensile properties of shaped ring parts for superalloy GH4169

表3 GH4169高溫合金異形環件的高溫拉伸性能Tab.3 High temperature tensile properties of shaped ring parts for superalloy GH4169

表4 GH4169高溫合金異形環件的持久性能Tab.4 Stress rupture properties of shaped ring for superalloy GH4169

2.3 討論

以上結果表明，FEM方法可準確預測GH4169合金環件的成形過程，而且熱力參數-工藝過程-組織-力學性能之間具有明確的映射關系。GH4169合金的顯微組織具有強烈的遺傳特性，在異形環坯的制備過程中，位置4和5僅在制坯的第一工序存在變形，而在后續的第2，3工序中基本無變形，由此導致位置4和5出現了只加熱而無變形的現象。第2，3工序中加熱溫度為1010 ℃，雖然該溫度低于GH4169合金中δ相的溶解溫度，不會引發晶粒長大，但會導致兩位置中小角度晶界及位錯密度含量的大幅度降低，使后續變形過程中各部位的顯微組織初始狀態存在差異，這也是導致位置4和5處力學性能區別于其他位置的主要原因。

環件位置1和9的晶粒尺寸略大于其他位置，從FEM模擬結果看出，兩位置的等效應變明顯較高，主要原因是GH4169合金的晶粒尺寸受溫度影響較為明顯。由于兩位置變形量較大，導致變形溫升較為明顯，甚至超過GH4169合金中δ相的溶解溫度，導致δ相溶解，對晶界遷移的阻力大幅度降低，使兩位置的晶界遷移速率增加，晶粒尺寸略高于其他部位。

3 結論

1）采用異形環坯軋制成形大尺寸高溫合金環鍛件，鍛件成形完整，熱力參數分布均勻，顯微組織和性能一致性較高，異形環鍛件尺寸精度明顯提高。

2）采用有限元數值模擬方法可對環件成形過程的熱力參數進行有效預測，而且可通過熱力參數-組織-性能之間的關系準確判斷工藝的合理性和可行性。

3）高溫合金的顯微組織和性能對熱加工過程非常敏感，應盡量減少成形過程中局部區域的變形溫升效應和只加熱未變形的現象發生。