對擊錘與液壓機鍛造GH4169盤件組織與性能分析

李昌永，黃鈞崴，周濤，王建國，秦衛東，譚志剛，劉東，石永召

對擊錘與液壓機鍛造GH4169盤件組織與性能分析

李昌永1，黃鈞崴2，周濤3，王建國2，秦衛東4，譚志剛1，劉東2，石永召2

（1.中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，沈陽 110043；2.西北工業大學 材料學院，西安 710072；3.中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110043，4.陜西宏遠航空鍛造有限責任公司，陜西 咸陽 713801）

揭示在對擊錘與液壓機模鍛工藝下盤件的組織與性能差異，為鍛造工藝選擇和指導生產實踐提供理論依據。采用數值模擬方法，對GH4169渦輪盤在63TM對擊錘和200MN等溫鍛壓機上的成形過程進行對比分析，通過對不同工藝制備的GH4169合金經直接時效后進行組織形貌觀察和力學性能測試，探究對擊錘模鍛與液壓機等溫模鍛GH4169合金盤件的組織與性能差異。2種工藝下盤件的等效應變分布差異不大，但液壓機成形盤件的溫度比錘鍛高，且溫度分布的均勻性略優；對擊錘模鍛的GH4169合金內留存高密度位錯，有效促進γ"相形核，沉淀強化相的增多使其具有更高的抗拉和屈服強度。與液壓機鍛造相比，錘鍛GH4169合金盤件具有更好的綜合性能。

GH4169渦輪盤；數值模擬；對擊錘；等溫鍛壓機；組織性能差異

GH4169合金（Inconel 718）是一種沉淀強化型鎳基變形高溫合金，以γ奧氏體為基體，以體心四方的亞穩相γ" (Ni3Nb)為主強化相，δ相為穩定相[1-3]。因其組織穩定，并具有良好的高溫強度和優異的抗疲勞抗蠕變性能，被廣泛應用于航空發動機和工業燃氣輪機的渦輪葉片、導向葉片、渦輪盤和燃燒室等零部件[4-5]。其中，作為航空用發動機的核心部件，渦輪盤工作時需承受熱應力的疊加及復雜的機械應力作用，工作條件極其惡劣。因此，對渦輪盤的抗蠕變能力、持久和疲勞性能的要求十分嚴苛[6-7]。由于GH4169合金在鍛造時具有變形抗力大、可鍛溫度范圍窄和熱加工塑性差等特性，且渦輪盤鍛件的主要熱處理制度為冷處理，即熱處理溫度低于合金的靜態再結晶溫度，因而應用熱處理工藝無法調控合金鍛件的微觀組織[8]。這就意味著渦輪盤的鍛造工藝對鍛件的組織與性能起決定性作用，鍛造工藝的控制極為重要。

田素貴等[9]通過對等溫鍛造和熱連軋工藝制備的GH4169合金進行蠕變性能測試和組織形貌觀察發現，與等溫鍛造相比，熱連軋合金中的高密度位錯具有形變強化作用，可提高合金的蠕變抗力?？子廊A等[10]發現，與傳統自由鍛、快鍛技術相比，徑鍛GH4169合金具有更高的綜合性能。徑鍛GH4169合金晶粒顯著細化，不同部位的晶粒度、δ相級別差異更小，且邊緣部位幾乎不存在冷變形組織。孫偉[11]應用數值模擬探究了近等溫鍛工藝參數對高溫合金組織和性能的影響規律，發現在相同變形和應變速率下，晶粒度級別隨變形溫度升高而下降；在變形溫度及變形量相同時，應變速率小的試樣晶粒度級別較高，但應變速率大的試樣性能稍好。盡管有關鍛造工藝對合金組織與性能的影響已有較多研究，但針對現有塑性成形設備中工作速度相差最大的對擊錘和液壓機的比較研究并無文獻報道。對擊錘鍛造作為傳統鍛造工藝，其結構簡單、適用性好且成形性好，被廣泛應用于鍛造行業中，但其難以制備組織均勻的合金[12]。液壓機具有下壓速度慢、可控制性強和噪音小等優點而成為越來越重要的模鍛設備[13]。目前，國內渦輪盤生產設備主要是液壓機和對擊錘，比較這2種設備模鍛盤件的熱力參數分布情況及組織與性能的差異，對鍛件質量控制與生產工藝優化均具有指導意義。以GH4169渦輪盤為研究對象，借助有限元模擬軟件，模擬渦輪盤在63TM對擊錘和200MN等溫鍛壓機上的全工藝成形過程，分析和對比GH4169渦輪盤在相同成形工藝、不同模鍛設備上整個變形過程中的溫度、應變和變形規律。將經對擊錘與液壓機模鍛的GH4169合金盤件進行直接時效處理，并對其進行顯微組織觀察和性能測試，以期能夠揭示2種鍛造工藝下盤件的組織與性能差異。

1 實驗

1.1 材料

實驗材料為GH4169合金鍛態棒材（來自撫順特殊鋼股份有限公司），主要化學成分見表1，顯微組織見圖1。其晶粒分布均勻，應用Image-Pro Plus軟件統計的晶粒平均尺寸為46 μm，為ASTM E112（美國材料與試驗學會標準）6級。

表1 GH4169合金化學成分

圖1 GH4169合金原始組織

1.2 方法

棒材在1 010 ℃下經液壓機鐓粗成餅坯，餅坯加熱后經轉運35 s后分別在63TM對擊錘和200MN等溫鍛壓機上完成模鍛，鍛造溫度均為990 ℃，設備均來自天津市天鍛壓力機有限公司，其成形過程見圖2。對擊錘成形過程分為35錘次打擊成形，打擊能量設置分別為1～5錘次20%，6～30錘次50%，31～35錘次70%；液壓機模鍛采用恒速8 mm/s成形。同時，采用Deform有限元仿真軟件對盤鍛件成形過程進行模擬，模擬參數設置見表2。

圖2 GH4169盤件成形過程

表2 有限元模擬參數設置

Tab.2 Finite element simulation parameters

1.3 組織性能檢測

GH4169合金盤件模鍛完成后立即水冷，經雙時效熱處理（720 ℃保溫8 h，經55 ℃/h爐冷至620 ℃、保溫8 h后空冷）后，分別對鍛件試樣進行顯微組織觀察和性能測試，所取試樣在鍛件上的位置見圖3，取樣尺寸均為15 mm×15 mm×15 mm的正方體。GH4169 合金的熱處理加熱實驗在陶瓷纖維熱處理爐中進行，設備來自陜西國豪爐業科技有限公司。

圖3 GH4169鍛件的取樣位置（單位：mm）

2 結果與分析

2.1 熱力參數分布規律對比

對擊錘和液壓機等2種設備模鍛盤件在終鍛結束時的熱力參數分布見圖4—5。盤鍛件在63TM對擊錘上成形總用時116 s，最終鍛件等效應變范圍為0.373～2.41，溫度范圍為923～1 030 ℃。盤鍛件在200 MN等溫鍛壓機上成形總用時為10 s。最終鍛件等效應變范圍為0.302～2.25，溫度范圍為813～1 040 ℃。

由圖4可知，2種盤鍛件的等效應變分布差異不大，小變形區域均在輪緣外層，輪轂區域為變形較大區域。由圖5可知，對擊錘模鍛的盤件溫度主要集中在990～1 010 ℃，液壓機模鍛的盤件溫度主要集中在1 010 ～1 030 ℃?？梢?，相較于液壓機模鍛，對擊錘模鍛盤件成形結束后，鍛件的整體溫度更低，這是因為錘擊的間隙較大，總變形時間較長，導致整體的溫降更為明顯。另外，2種成形方式下的鍛件溫度分布規律也略有不同。液壓機模鍛因模具一直與坯料接觸，鍛件低溫區連續分布在工件的上下表面，高溫區貫穿于盤鍛件輻板的整個帶狀區域。而對擊錘成形盤件的輪緣外層為低溫區，輻板中心區域溫度較高。總體來看，液壓機成形的盤件溫度分布均勻性略優于對擊錘。

圖4 終鍛時刻盤鍛件的等效應變分布云圖

圖5 終鍛時刻盤鍛件的溫度分布云圖

2.2 熱力參數演變規律對比

為了更加準確直觀地反映整個鍛造過程的特點，選取鍛件軸截面5個典型位置作為研究點（圖3），對5個關鍵點進行應變和溫度追蹤。不同模鍛工藝的應變變化對比曲線見圖6。由圖6可知，各位置的等效應變均自變形開始從零開始增加。其中，液壓機模鍛盤件中各選取點的應變均呈線性增長，應變增長速率基本保持不變，經過10 s變形結束后達到最高應變1.2；對擊錘模鍛盤件中各選取點的應變呈階梯增長，在變形結束116 s時達到1.35的最大應變。并且在模鍛后期，等效應變雖依舊升高，但速度不斷減慢，逐漸趨于穩定。這是由于對擊錘是在快速沖擊下使坯料成形，鍛件中的等效應變是瞬間增加的，而成形后期隨著鍛件的整體變形抗力增加，變形越來越困難，因此隨著變形的進行，等效應變增加越來越緩慢。對于液壓機模鍛來說，坯料是在緩慢的靜壓力下成形，即使變形抗力在后期大大增加，但還遠遠達不到設備的噸位，變形依然會繼續進行，因此液壓機上的盤鍛件在成形過程中應變持續增加。

不同模鍛工藝下溫度變化對比曲線見圖7，可以看出，總體上盤件在2種設備的成形過程中溫度變化規律差異很大。液壓機模鍛的盤件，其心部溫度隨著模鍛的進行不斷上升，經10 s成形完成后，各點溫度達1 005 ～1 013 ℃，溫度的增長速率基本保持不變。對擊錘模鍛的盤件，其心部的溫度隨著模鍛的進行，在0～20 s時緩慢上升，在20～72 s時快速升溫至1 032 ℃，達到鍛件成形全過程中選取點的最高溫度，隨后溫度不斷降低，在116 s結束成形時溫度降至1 015～1 008 ℃。同時，無論是對擊錘還是液壓機模鍛的盤件，各選取點的溫度在前期均隨著變形的進行不斷升高，這是由于選取點都位于鍛件心部區域，而心部作為大變形區域，在變形中產生大量熱能來不及散發，這些熱量集聚在鍛件內部，造成溫度的不斷上升。特別是對擊錘的工作間隙時間長，鍛件在大應變速率下產生的溫升難以抵消由于錘擊間隙大、變形時間長產生的溫降，因此錘上鍛造后期溫度會不斷下降。

圖6 不同模鍛工藝應變變化對比（H1—H5為液壓機、CH1—CH5為對擊錘）

圖7 不同模鍛工藝溫度變化對比（H1—H5為液壓機、CH1—CH5為對擊錘）

2.3 組織與性能對比

不同設備制備的合金經直接時效后其中心區域顯微組織見圖8。由圖8可知，應用液壓機模鍛的盤件，其中心區域的晶粒尺寸較對擊錘模鍛的盤件略大，2種工藝盤件整體的晶粒度均勻性都較好。由圖9可知，經直接時效處理后合金中均彌散析出了一定量的γ″相，但相較于液壓機模鍛合金，對擊錘模鍛合金析出的γ″相尺寸更小、數量更多。

GH4169合金盤鍛件的拉伸性能見表3，可以看出，2種工藝下制備的盤鍛件力學性能均合格，但不同設備鍛造的盤件拉伸性能差異明顯。相較于液壓機模鍛，對擊錘模鍛的盤件明顯具有更優異的拉伸性能，其在室溫和高溫時抗拉和屈服強度都較高，只是室溫下的塑性略差。其中，采用對擊錘模鍛的盤件室溫抗拉和屈服強度均有提升，增長幅度分別為4.5%和7%左右，塑性有所降低，伸長率和斷面收縮率分別降低了5.2%和7%；同時高溫抗拉和屈服強度分別提高了4.4%和10%左右，高溫塑性相當?？梢?，鍛造制備工藝極大地影響著盤鍛件的強度。與液壓機鍛造相比，應用對擊錘對盤件進行模鍛，可顯著提高鍛件的強度。

由GH4169合金盤鍛件的持久和蠕變性能（表4）可知，2種工藝下盤鍛件的蠕變性能有所差異，而持久性能基本一致。液壓機和對擊錘模鍛的GH4169盤件經雙時效處理后在650 ℃、700 MPa條件下的持久壽命相差1 h，分別為72.5、73.5 h，對擊錘鍛造的盤件持久性能稍好。2種工藝制備的合金在時效溫度595 ℃、恒定應力825 MPa條件下，持續25 h的塑性變形量都小于0.2%，均滿足該鍛件技術標準要求。其中，液壓機與對擊錘鍛造的盤件殘余變形分別為0.069%、0.054%。可見，采用對擊錘鍛造，盤件成形后的殘余變形降低0.015%，降低幅度達27%左右，蠕變性能有所提升。

2.4 討論

GH4169 合金的組織與性能對熱變形過程中工藝參數的變化極其敏感，加工過程控制不當，會直接影響合金的蠕變、持久和缺口敏感性等性能[14]。鍛造作為合金組織與性能的主要控制手段，不同的鍛造工藝會導致合金的晶粒大小及沉淀強化相的形貌、含量和分布均有不同程度的差異[15]。實驗結果表明，2種鍛造工藝制備合金經直接時效后晶粒尺寸相差不大，但相較于液壓機鍛造，對擊錘模鍛的盤鍛件其抗拉及屈服強度都顯著提高，蠕變性能也更優。因此，忽略晶粒大小對合金性能的影響，主要從合金析出相方面分析對擊錘與液壓機鍛造對盤鍛件性能的影響。

圖8 不同模鍛工藝制備GH4169合金直接時效后顯微組織

圖9 不同模鍛工藝制備GH4169合金直接時效后強化相形貌

表3 GH4169合金盤鍛件拉伸性能

Tab.3 Tensile properties of GH4169 alloy forgings

表4 GH4169合金盤鍛件持久及蠕變性能

Tab.4 Endurance and creep properties of GH4169 alloy disc forgings

現有塑性成形設備的工作速度相差很大，工件的應變速率也必然不同。對擊錘的應變速率較高，等溫模鍛壓力機鍛造的應變速率最低[16]。有限元軟件模擬結果也說明2種設備生產的同一種鍛件，變形過程的溫度場、應變場均有差別，特別是流動應力的差異很大。這說明GH4169合金在高溫塑性變形過程中，其變形溫度和應變速率顯著影響合金的宏觀場量與微觀組織。奧羅萬方程表明，位錯的積累速度與位錯的平均自由程呈反比，而與應變速率成正比[17]。因此，錘上鍛件和液壓機鍛件在變形過程中加工硬化產生的位錯密度相差很大。錘上模鍛的盤鍛件在加工硬化階段位錯大量增殖，動態回復與動態再結晶消耗的位錯又不足以抵消加工硬化產生的位錯[18]，因而變形結束后，應用對擊錘鍛造的GH4169盤件具有更高的位錯密度，宏觀上表現為變形抗力增加。變形完成后直接進行雙時效處理，盤鍛件因沒有經過高溫固溶處理，故其保留了模鍛時產生的一定量的位錯密度。保留的一定量位錯為γ"相形核提供了充足能量，降低了γ"相形核析出時因共格畸變所產生的應力，有效促進了γ"相形核[19]。因此，對擊錘盤鍛件經直接時效后，彌散析出的γ"相數量較液壓機模鍛的盤件更多（圖9a）。而γ″相作為 GH4169合金中的主要沉淀強化相，其對屈服強度的貢獻最大[20]，合金的強度隨著主要強化相數量的增加而顯著提高[21]，致使室溫和高溫屈服強度呈現近似規律，即對擊錘盤鍛件的屈服和抗拉強度相較于液壓機有較大提升。實驗結果中對擊錘模鍛盤件的塑性較液壓機有所下降，可能是由于在較大的應變速率下，合金沒有足夠的時間進行回復和再結晶，軟化過程不充分所致。

與液壓機模鍛的合金相比，錘上模鍛的變形特點是合金內部存在高密度位錯。有研究表明[22]，GH4169合金在蠕變期間的變形機制是位錯滑移和孿晶變形。因此，采用對擊錘模鍛的合金內部留存的高密度位錯，一方面可增加孿晶變形的阻力；另一方面，可以促使孿晶內位錯多取向滑移的發生，因形變產生的應力集中進而可以得到一定的協調和釋放。另外，形變強化作用隨著孿晶及位錯密度的提高會進一步增強。因此，錘鍛GH4169合金盤件的蠕變性能相對更好。

在對擊錘模鍛變形過程中（圖7），盤鍛件在20～72 s時快速升溫至1 032 ℃，且較于液壓機模鍛，錘上鍛造變形時間較長。而有研究[23-24]表明，δ相在980 ℃開始溶解，1 020 ℃可完全溶解，析出溫度為780～980 ℃，析出峰值溫度為940 ℃，這就造成采用對擊錘鍛造的盤件在變形過程中處于δ相溶解溫度的時間較長，使合金中δ相含量減少，增加了奧氏體γ基體相中固溶強化元素Nb的含量[25]，導致在時效過程中γ"強化相的析出量增多，從而進一步提高了合金強度。

3 結語

以GH4169渦輪盤為研究對象，借助有限元模擬軟件對渦輪盤在對擊錘和液壓機上鍛造的變形過程進行探究，分析了不同模鍛設備下盤鍛件的熱力參數差異。并將經模鍛后的合金進行直接時效處理，對比分析了其組織和性能，揭示了2種鍛造工藝對渦輪盤組織與性能的影響。

1）成形結束后，2種工藝盤件的等效應變分布差異不大，液壓機鍛造盤件的溫度與錘鍛相比較高，且盤件溫度分布的均勻性略優。

2）在成形全過程中，液壓機模鍛盤件心部區域的應變和溫度均隨變形的進行呈線性增長；對擊錘模鍛盤件的應變隨變形進行呈階梯增長，在變形后期應變增長速率不斷減慢至趨于穩定；其溫度先緩慢升高再快速升溫至最高溫度后開始降低。

3）與液壓機鍛造相比，錘鍛GH4169合金盤件在成形過程中應變速率大，合金中留存高密度位錯，有效促進了γ"相形核，終鍛時刻合金內部析出的γ"相含量增多。

4）經直接時效后，錘鍛 GH4169合金盤件性能更優異，具有更高的抗拉和屈服強度，蠕變性能也相對更好。

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Differences in Microstructure and Properties of GH4169 Discs Forged by Counter-blow Hammer and Hydraulic Press

LI Chang-yong1, HUANG Jun-wei2, ZHOU Tao3, WANG Jian-guo2, QIN Wei-dong4, TAN Zhi-gang1, LIU Dong2, SHI Yong-zhao2

(1. AECC Shenyang Liming Aero Engine Co., Ltd., Shenyang 110043, China; 2. Department of Materials, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China; 3. AECC Shenyang Engine Research Institute, Shenyang 110043, China; 4. Shaanxi Hongyuan Aviation Forging Company Ltd., Shannxi Xianyang 713801, China)

The work aims to study the differences in the organization and properties of discs forged by counter-blow hammer and hydraulic press, so as to provide theoretical foundation for selection of forging process and guidance of production. Numerical simulations were used to compare and analyze the forming process of GH4169 turbine discs on 63TM counter-blow hammer and 200MN isothermal forging press, and the differences in the organization and properties of GH4169 alloy discs prepared by different processes were investigated by observing the tissue morphology and mechanical properties after direct aging of GH4169 alloy prepared by different processes and by isothermal die forging GH4169 discs on counter-blow hammer and hydraulic press. It was found that the differences in the distribution of the isothermal transformation between the two discs were not significant, but the temperature of the hydraulically formed discs was higher than that of the hammer forging, and the uniformity of the temperature distribution was slightly better. The high density of dislocations in the hammer die-forged GH4169 alloy effectively promoted the nucleation of the γ" phase, and the increase of the precipitation strengthening phase made the hammer-forged GH4169 alloy have a higher overall performance than the hydraulic forging alloy. Compared with those forged by hydraulic press, GH4169 alloy discs prepared by hammer have better overall properties.

GH4169 turbine disk; numerical simulation; counter-blow hammer; isothermal forging press; differences in microstructure and properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.01.022

TG316. 3

A

1674-6457(2023)01-0182-08

2022?08?02

2022-08-02

國家自然科學基金（52101052）；重慶市自然科學基金（cstc2020jcyj?msxmX0046）

National Natural Science Foundation of China (52101052); Natural Science Foundation of Chongqing (cstc2020jcyj- msxmX0046)

李昌永（1983—），男，高級工程師，主要研究方向為航空發動機關鍵構件塑性成形。

LI Chang-yong (1983-), Male, Senior engineer, Research focus:plastic forming of key components of aero-engine.

王建國（1987—），男，博士，助理研究員，主要研究方向為塑性成形與控制。

WANG Jian-guo (1987-), Male, Doctor, Assistant researcher, Research focus: plastic forming and control.

李昌永, 黃鈞崴, 周濤, 等. 對擊錘與液壓機鍛造GH4169盤件組織與性能分析[J]. 精密成形工程, 2023, 15(1): 182-189.

LI Chang-yong, HUANG Jun-wei, ZHOU Tao, et al. differences in microstructure and properties of GH4169 discs forged by counter-blow hammer and hydraulic press[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(1): 182-189.