鎳基高溫合金盤軸件模鍛折疊缺陷分析與質量提升

文／李玉鳳，李曉婷，胡艷梅，洪鑫，趙東強·無錫透平葉片有限公司

基于理論與實踐，采用試驗分析的方式對某GH4698 合金盤軸鍛件模鍛折疊缺陷進行了定性分析，確定為折疊缺陷后，通過生產復查、數值模擬分析等方法對折疊缺陷的形成原因進行了深入分析。結合鍛件質量要求和生產條件對制坯工藝進行了優化，將其自由鐓粗優化為胎模成形，通過試制獲得表面質量和形位尺寸良好的坯料和無折疊缺陷的鍛件，為后續類似盤軸結構產品的生產提供可靠的技術指導。

GH4698合金是鎳基時效沉淀強化型高溫合金，在500 ～800℃范圍內具有很高的持久強度和良好的綜合性能，多用于內燃機等發動機用渦輪盤、軸頸鍛件、緊固件等關鍵部件。由于其合金化程度較高，熱加工工藝窗口較窄，生產過程的控制難度大。該盤軸類鍛件高徑比為1.1，兼具盤類和軸類鍛件的結構特征，為了獲得形狀尺寸和組織性能合格且變形均勻的鍛件，采用鐓擠復合成形工藝。該工藝對于坯料的設計和過程的控制要求較高，生產過程中鐓粗變形和擠壓變形的交匯區域容易出現折疊、反擠的端頭位置則容易出現填充不滿等缺陷。本文基于實際生產案例，采用逆向思維全面深入分析了模鍛過程折疊缺陷的成因并制定了有效的控制和預防措施，提高了生產效率和鍛件的成形質量。

鍛件折疊缺陷分析

GH4698 合金某試驗鍛件模鍛后在鍛件分模面靠上模的圓周面出現了一個明顯的折疊缺陷，缺陷最大輪廓尺寸為長50mm、高7mm，深度未知，折疊缺陷的具體形態見圖1。為了確定缺陷沿鍛件徑向的深度并進一步明確缺陷的性質，在缺陷位置切取1 塊試樣進行徑軸面低倍檢查。

圖2 展示了缺陷在鍛件徑軸面上沿徑向的尺寸和形態，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，裂紋尾端出現了放射狀的分叉且折縫內壁有明顯的氧化現象，因此可進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流匯集形成的匯流折疊；②變形過程中部分金屬壓入另一部分金屬形成的壓入型折疊；③金屬變形過程中，由于流動失穩發生彎曲折入的失穩型折疊；④失穩后匯流等混合型折疊缺陷。

基于以上理論分析對問題試驗件的成形過程進行了復查，并對成形過程進行了數值模擬分析，結合模擬數據發現坯料與模具接觸后發生了輕微的失穩，但成形后未發生折疊缺陷。經分析坯料的高徑比為0.88，坯料失穩是因為鐓擠復合成形工藝導致的輕微失穩，為了進步一查找試驗件中折疊缺陷產生的原因，對生產過程進行了復查。

對試驗件生產過程進行復查時發現，坯料表面質量差，形狀不規則，中心軸傾斜且圓周面上有明顯的內凹。坯料偏斜和圓周面內凹容易加劇坯料在成形過程中的失穩，因此根據坯料實物圖的形狀尺寸建立了數值模擬模型，通過數值模擬再現表面質量欠佳的坯料成形過程。

數值模擬結果顯示，坯料在成形過程中圓周面內凹區域出現了明顯的折疊缺陷，折疊缺陷的形成過程如圖4 所示，坯料內凹和傾斜加劇了坯料失穩，材料與模具圓周面接觸后內凹區域的材料隨著成形過程發生彎折被壓入鍛件，最終形成了折疊缺陷。數值模擬顯示的折疊缺陷位置與鍛件折疊缺陷位置一致，均位于上模靠近分模面的位置。因此，坯料形狀歪斜和局部內凹加劇了坯料成形過程失穩，材料彎折被壓入鍛件形成試驗件折疊缺陷。

鍛件折疊缺陷預防及工藝優化

結合數值模擬分析可知，試驗件缺陷形成原因為坯料形狀不規則且表面質量差，原坯料自由鐓粗的成形方式決定了坯料表面質量的穩定性和一致性不可控，為了提高坯料成形質量的穩定性和一致性對制坯工藝進行了優化，設計了如圖5 所示的胎模，用于約束坯料的軸度和表面質量。

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鼓肚，坯料的形狀更規則。為了驗證胎模成形的坯料對鍛件成形質量沒有影響，通過數值模擬對模鍛過程進行了分析，模擬結果見圖6 和圖7，自由鍛成形坯料和胎模成形坯料的模鍛溫度場和應變場差異較小且無折疊缺陷產生，說明該胎模制坯工藝具有可行性。因此進行了試制驗證，獲得圖8 所示坯料，坯料表面質量良好且形狀規則，模鍛后鍛件表面質量良好無折疊缺陷。

結束語

通過試驗分析、理論分析和數值模擬對比分析，確認自由鐓粗制坯導致坯料發生歪斜且表面質量差，模鍛后坯料表面內凹區域發生彎折，隨著材料流動被壓入鍛件形成折疊缺陷，屬于失穩壓入復合型折疊缺陷。通過對制坯工藝進行優化將自由鐓粗優化為胎模成形，獲得表面質量良好形狀規則的坯料，經試制驗證優化工藝可行，胎模獲得的坯料質量穩定性和一致性較好，模鍛后溫度場和應變場滿足模鍛變形要求且無折疊缺陷。