GH4169合金超大異形環(huán)件制造工藝研究

XIAOZHONGMING

GH4169合金是以體心四方的γ″和面心立方的γ′相沉淀強化的鎳基高溫合金，在-253~700℃范圍內(nèi)具有良好的綜合性能，650℃以下的屈服強度居變形高溫合金之首，并具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能，以及良好的加工、焊接性能和長期組織穩(wěn)定性，能夠制造各種形狀復雜的零部件，可制成盤、環(huán)、葉片、軸、緊固件和彈性元件、板材結(jié)構(gòu)件、機匣等零部件在航空上長期使用。該合金的另一特點是合金的組織對熱加工工藝特別敏感[1]。不同的加工工藝可獲得不同性能的合金制件，這為獲得不同要求的零件提供了可能，也給成形工藝提出了較高的要求[2]。

飛機發(fā)動機機匣類鍛件，所用材料一般為GH4169等難變形合金材料，且鍛件較大、高度較高，受工藝水平和設備能力的限制，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法是將整個機匣分段制造后再焊接組裝，不僅浪費大量珍貴材料，增加機加工時，還破壞了鍛件的完整性，面臨焊接變形和焊接處的性能下降等系列問題，影響航空發(fā)動機的研制和生產(chǎn)。為擺脫上述不利情況，此次研制的機匣鍛件采用異形整體軋制技術，直接將整個機匣進行整體成型，不僅節(jié)約大量材料，降低加工成本，最重要是不用分段生產(chǎn)再進行焊接，提高了機匣的均勻性及整體性能水平。

鍛件情況

鍛件材料為GH4169合金，該合金變形抗力大，流動性較差，給鍛件成形帶來困難。另外，該合金對變形程度和變形溫度較敏感，控制不當容易造成鍛件組織及性能不達標。

粗加工鍛件外形尺寸見圖1，鍛件重量為4675kg。在此之前，國內(nèi)還未生產(chǎn)過重量接近5t的GH4169合金異形環(huán)件。

成形工藝分析

1　技術難點

（1）該鍛件需用棒材規(guī)格為φ750mm，在國內(nèi)是首次使用如此大規(guī)格的棒材生產(chǎn)鍛件。大規(guī)格棒材的組織很難做到細小均勻，需要后期的鍛造給予充分的變形，使鍛件的組織趨于均勻細小。

（2）鍛件為碗狀異形環(huán)件，鍛件斜度較大，其大頭和小頭尺寸相差較大，內(nèi)徑大小頭相差370mm，外徑大小頭相差350mm，高度達765mm，成形困難。

（3）經(jīng)研究分析，軋制碗狀異形鍛件，需要制備帶錐度的異形毛坯。異形毛坯的鍛造難度較大，鍛造時毛坯尺寸不易控制，造成異形毛坯斜度與要求不符、圓角過大、壁厚差較大等問題，而這些問題會對后期的軋制成形產(chǎn)生影響，導致鍛件尺寸不合格。所以，能否制出形狀規(guī)整，壁厚均勻的異形毛坯是一個關鍵。

（4）為保證鍛件組織性能滿足要求，需保證鍛件軋制時有足夠變形量，要準確計算異形毛坯的形狀和尺寸，防止軋制時變形不均或變形不足。

2　成形方法分析

該機匣鍛件為碗狀異形環(huán)件，為保證鍛件變形均勻一致，提高鍛件的綜合性能，選擇采用異形制坯加整體異形軋制成形技術。使用整體異形軋制技術，不僅提高產(chǎn)品的尺寸精度，還能提高鍛件各部位變形的一致性，降低各部位間變形、溫度、應力等的差異。為了更準確地把握鍛件在成形過程中溫度及變形的情況，采用計算機數(shù)值模擬技術對鍛件成形過程進行分析，根據(jù)模擬結(jié)果對工藝方案進行修正。

該鍛件材料為GH4169合金，材料變形抗力大，對軋制設備噸位要求較大。通過計算機數(shù)值模擬計算得出鍛件制坯所需最大壓力約為5950t，軋制所需最大壓力約為685t。根據(jù)計算模擬結(jié)果，選擇在6300t液壓機上進行制坯，在DK53K-700/600-4500/1000環(huán)軋機上進行整體異形軋制。

為保證軋制出理想的鍛件形狀及尺寸，其中一項關鍵因素是異形毛坯的形狀和尺寸設計是否合理。設計時，首先按一定變形量反算異形毛坯的形狀和尺寸，再用數(shù)值模擬驗證所計算出的異形毛坯是否滿足軋制需要，根據(jù)模擬結(jié)果和實際生產(chǎn)能力修正異形毛坯設計結(jié)果。

在制備異形毛坯時，坯料沖孔后進行馬架擴孔，制出帶一定角度的毛坯，再用沖頭進行脹形，使毛坯斜度接近鍛件斜度，并圓整毛坯。制坯過程中需控制好毛坯的橢圓度及壁厚差，在生產(chǎn)操作時加強過程控制。

鍛件鐓粗、沖孔的數(shù)值模擬結(jié)果見圖2和圖3。

從圖2中可以看出，鐓粗完成后鼓肚較小，心部溫度最高，鍛件上下表面因與錘砧接觸而迅速降溫。因此在生產(chǎn)前工裝需預熱至250~300℃，鍛造過程中應盡可能減少轉(zhuǎn)移時間，鐓粗過程中上下端面墊保溫棉，減少鍛件與砧面的接觸，減少上下端面的溫降。從圖3中可以看出，沖孔后心部的溫度有所降低，上下表面的溫度有所回升，僅在端面因與沖頭接觸導致在內(nèi)徑位置溫度偏低，因此制坯前應對沖頭進行充分預熱，減小端面內(nèi)徑處的溫降。

    鍛件馬架擴孔并使用沖頭脹形后的數(shù)值模擬結(jié)果見圖4。

鍛件馬架擴孔并使用沖頭脹形后，鍛件內(nèi)徑表面的溫度因與沖頭接觸而下降，因此制坯前應對脹形沖頭進行充分預熱，減小內(nèi)徑表面的溫降。從圖中4還可以看出，鍛件大頭因內(nèi)外徑變大，導致壁厚減薄，且鍛件高度會因與沖頭的摩擦力被拉低。所以在脹形時要考慮到此因素，保證制備的異形毛坯滿足軋制要求。

鍛件異形整體軋制成形后的數(shù)值模擬結(jié)果見圖5。

從圖5中可以看出，鍛件軋制完成后，鍛件的溫度在900℃左右，除小頭外徑轉(zhuǎn)角處溫度較高外，其余溫度場的分布都較為均勻；模擬結(jié)果顯示使用異形毛坯進行異形整體軋制的鍛件，充填效果較好，外形尺寸滿足鍛件要求。

3　鍛件工藝方案設計

鍛件成形的主要工藝路線為：下料→加熱→鐓粗→沖孔→加熱→馬架擴孔→加熱→沖頭脹形→加熱→異形軋制。工序示意圖見圖6。

第一步：鐓粗、沖孔。鍛件鐓粗時，需控制鐓粗的變形速度，避免變形過快導致鍛件心部變形熱累積而使溫度升高，造成過熱或過燒。鐓粗時保證坯料兩頭鼓肚基本一致。鍛件沖孔時，需注意對中，防止沖偏造成鍛件壁厚不均。

第二步：馬架擴孔。馬架擴孔時，要利用坯料的鼓肚，將鼓肚大的一端作為鍛件大頭。馬架過程中，需控制壓下量和鍛件轉(zhuǎn)動量，避免出現(xiàn)鍛件壁厚差較大、形狀不規(guī)則問題。

第三步：沖頭脹形。采用馬架制出的異形毛坯，坯料斜度較小，還需使用沖頭進一步進行脹形，使異形毛坯角度接近鍛件角度。

第四步：異形整體軋制成形。為保證鍛件性能，鍛件終軋時需有一定變形量，設定鍛件終軋的變形量為30%。

鍛件試制

1　試制主要設備

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，選擇6300t液壓機進行制坯，選擇DK53K-700/600-4500/1000環(huán)軋機（φ4500mm環(huán)軋機，最大軋制高度1000m，徑軸雙向軋制力700t）進行異形整體軋制。

2　試制工藝參數(shù)

鍛造加熱參數(shù)見表1，鍛件熱處理參數(shù)見表2，試制鍛件熱態(tài)照片見圖7。

試制結(jié)果分析

按上述工藝方案試制出的鍛件，其外形良好，鍛件各部位均能夠填充模具型腔，鍛件的尺寸能夠滿足加工要求。為檢查鍛件的均勻性，按圖8所示在鍛件大、小頭端面各檢查12點晶粒度，檢查結(jié)果見表3。檢查結(jié)果顯示，鍛件典型晶料照片見圖9，鍛件大、小頭端面各個位置的晶粒度在3.5~5級之間，較為均勻。

結(jié)論

（1）采用異形制坯加異形整體軋制技術生產(chǎn)的GH4169合金超大異形環(huán)件，尺寸滿足零件加工要求，鍛件組織均勻良好。此次生產(chǎn)的GH4169合金超大異形環(huán)件填補了國內(nèi)大型機匣類鍛件不能整體軋制生產(chǎn)的空白，為此類鍛件的生產(chǎn)開創(chuàng)了新的工藝途徑。

（2）GH4169合金超大異形環(huán)件鍛造過程中的關鍵在于異形坯料的制備，異形坯料的斜度、壁厚差、圓角大小都將直接影響后續(xù)整體軋制的效果。

（3）與分段焊接的機匣鍛件相比，采用整體軋制不僅減少了原材料投入和機加工時，降低了成本，而且保持了鍛件的整體性，鍛件纖維連續(xù)，不需焊接，從而使整個機匣產(chǎn)品質(zhì)量得到了提高。