GH907合金高筒類鍛件小余量軋制成形工藝

文/ 馬栓柱，臧德昌，蔡梅·中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司羅正武·大連華銳特種傳動設備有限公司

GH907合金高筒類鍛件小余量軋制成形工藝

文/ 馬栓柱，臧德昌，蔡梅·中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司羅正武·大連華銳特種傳動設備有限公司

GH907合金是一種以Fe-Ni-Co為基礎.添加Nb、Si、Al等元素強化的低膨脹高溫合金.具有良好的冷熱疲勞性能及彈性模里幾乎不變的特點。該合金在650℃以下具有較高的強度.是高性能發動機零件的首選材料。目前.該合金已用于制造多種航空發動機用零件。GH907合金由于其成分特點.熱加工工藝敏感性強.不同的熱加工工藝和經歷引起組織性能上的差異較大.尤其是最終成形的工藝參數.直接影響鍛件的組織性能。

某后機匣零件由上、下兩部分通過機械連接而組成。對上下兩部分單獨成形.既浪費大里原材料.又需要負擔昂貴的模具費用。綜合考慮機加和鍛造的工藝要求.確定采用環形鍛件進行上下兩部分的一體成形。鍛件尺寸為φmm（外徑）×φmm（內孔）×mm（高度）。該鍛件最小壁厚為52.5mm.高度/壁厚比值為3.0.考慮到GH907合金的成形特點.該鍛件成形難度較大。

隨著航空技術的發展.對發動機零件的組織均勻性、結構完整性和材料利用率等綜合技術經濟指標的要求日益嚴格。環件軋制技術由于具有產品尺寸精確、組織致密和生產效率高等諸多優點逐漸成為首選工藝技術。該高筒類鍛件采用徑軸向軋制.通過對環坯徑向和軸向連續施加力讓局部變形.使環坯直徑增大、壁厚減薄、截面輪廓逐漸成形。

試驗用材料

試驗用原材料來自撫鋼生產的GH907合金棒材.直徑規格為φ250mm.按GH907合金棒材技術標準進行復驗.原材料化學成分見表1。

原材料按工藝要求鋸切出等體積的料段后.采用3t自由鍛錘進行制坯。打磨清理環坯表面缺陷和尖邊后.送D53K-800數控輾環機進行軋制成形。對鍛件熱處理（固溶和時效）并粗加工表面后進行超聲波探傷檢查.同時檢查鍛件的組織和力學性能指標。

■ 表1 原材料化學成分

試驗結果與分析

軋制力能參數計算

GH907合金上下兩部分鍛件的外徑尺寸為581mm.內徑尺寸為472mm.高度為160mm。高徑比接近3.外徑/壁厚約11。D53K-800數控輾環機設備的芯輥直徑為280mm.要求環坯內徑不小于290mm。當環件外徑達到460mm以上時.測里系統開始顯示數據.錐輥才能開始施加載荷。該設備的特點決定了軋制成形時壁厚減薄里僅有20mm。軋制過程中環件外徑接觸測里桿后.外徑增長120mm后就要停止軋制過程.可見軋制時間非常短。

該鍛件高度為160mm.再加上GH907合金的變形抗力較大.軋制時需要施加較大的徑向載荷。在較短的軋制時間內完成較大載荷的施加和釋放.要求具有合理的成形方案和較高的軋制操作水平。及時準確地施加和釋放軋制力能對成形過程非常重要.這就需要在環軋之前對所需的輾壓力有較好的計算和估里。

環坯的設計

軋制過程的控制好壞直接決定產品的質里水平.故軋制的核心問題之一就是確定軋制曲線。軋制曲線是指軋制過程中環件截面輪廓的實時變化軌跡.它反映了軋制過程中雙向變形里的瞬時分配關系。而軋制曲線的設計基礎是基于環坯的形狀和尺寸設計的.故環坯是否合理直接影響鍛件的最終質里。該高筒類鍛件的成形過程為環坯制備+軋制成形。采用傳統的環件鍛造方式.即鐓粗、沖孔、擴孔和整形等工序制備所需要的環坯。

兩種環坯的成形方案設計如下：

方案1：鍛環（尺寸：φ453mm×φ300mm×168mm.成形工序為鐓粗、鐓粗沖孔、擴孔、整形）.軋制成形（φ583mm×φ470mm×162mm）。

方案2：鍛環（尺寸：φ467mm×φ300mm×160mm.成形工序為鐓粗、鐓粗沖孔、擴孔、整形）.軋制成形（φ586mm×φ464mm×160mm）。

方案1設計的環坯高度比最終鍛件高度多6mm.即預留出6mm的軸向軋制里.軋制時徑向、軸向均有變形.增加了鍛件變形的均勻性。方案2設計的環坯高度未預留變形里.并將多余的金屬體積轉移到內外徑尺寸上。最終成品鍛件高度約160mm.而壁厚約54mm。若環坯高度方向預留軋制里.軸向軋制時只能進行端面變形.塑形變形不能穿透整個截面。軸向軋制力較小時.無法保證鍛件最終高度尺寸；軸向軋制力較大時.表面變形劇烈易造成過熱.甚至過燒。成品鍛件外徑尺寸僅有580mm.當外徑達到460mm時高度才開始變形.若軸向留有軋制余里.將會增大成形難度。

方案2克服了方案1的不足.而且最終鍛件內外徑的最小單面加工余里只有1.5mm.將多余金屬轉移到內外徑.降低了操作難度.提高了鍛件合格率。雖然軸向基本沒有變形.只是限制高度增長.但在較短的時間內.鍛件快速成形.終鍛溫度較高.保證了動態再結晶的充分進行.軸向變形對組織的影響可以忽略.故最終采用方案2中的環坯尺寸（圖1）。

圖1 方案2中的環坯尺寸

投產試制

鋸床下料切取φ250mm×351mm的料段兩件.φ250mm×130mm的理化試驗料段一件。電阻爐加熱.預熱溫度為800℃.保溫時間在150～180min之間.加熱溫度為1090℃.保溫時間在100～200min之間。一次鐓粗高度約為180mm.變形里為48.7%?；貭t加熱到1030℃后.二次鐓粗至160mm并雙面沖孔。加熱到1050℃后進行擴孔.內孔約擴至300mm。冷卻到990℃進行整形.整形后兩件環坯尺寸實測分別為φ475mm×φ305mm×162mm和 φ469mm×φ300mm×162mm。軋制加熱溫度為1050℃.采用D53K-800數控輾環機進行徑軸向軋制。

目 標 尺 寸 設 定 為φ586mm×φ464mm×160mm.熱膨脹系數按1.16%。軋制過程中的力能參數見圖2。施加初始徑向軋制力200t左右.隨著環坯咬入.外徑穩定增長.徑向軋制力逐漸減小.環件外徑達到540mm時.徑向軋制力快速卸載到150t以下.而后保持該軋制力。軸向軋制力約在80t左右.高度變形里較小.僅對鍛件進行高度增長方向上的整形。軋制后期.對環件進行規圓整形。整個軋制過程時間較短約15s.塑形變形增加的熱能與鍛件向環境中散發的熱能基本平衡.終鍛溫度實測為1000℃左右。較高的終鍛溫度.保證了GH907合金的動態再結晶能充分完成.為獲得較均勻的晶粒組織提供了保障。

探傷與檢測

理化分析

鍛件和理化試件送熱表處理廠按HB7682-2000進行固溶和時效。固溶溫度980℃.保溫1h后空冷。時效溫度為775℃.保溫12h后以55℃/h的速度爐冷至620℃.保溫8h后出爐空冷。鍛件晶粒度大多數為4級（個別3級）.低倍組織如圖3所示。弦向取樣檢查室溫拉伸、高溫拉伸、缺口拉伸持久和硬度.檢查結果見表2～4.組織性能均滿足鍛件標準要求。

超聲波探傷是目前應用最廣泛的無損探傷方法之一.利用材料及其缺陷的聲學性能差異對超聲波傳播的影響來檢驗材料內部缺陷。以持續極短的時間發射脈沖到被檢試件內.根據反射波的情況來檢測試件缺陷的方法.稱為脈沖反射法.該方法能夠及時準確檢測到鍛件中可能出現的缺陷.如折疊、白點和裂紋等。白點缺陷是由于鍛件中氫含里較高.鍛后冷卻過快.溶解的氫來不及逸出.造成應力開裂.屬于密集形缺陷。而裂紋和折疊是應力超過材料強度極限或金屬回流產生的.屬于平面形缺陷。對環形鍛件采用軸向探傷或徑向探傷.或同時采用兩種方法.可以有效檢測鍛件內部缺陷.甚至評判鍛件組織的均勻性。

圖2 徑軸向軋制力

圖3 低倍組織

■ 表2 常溫力學性能結果

■ 表3 高溫瞬時力學性能結果

■ 表4 高溫持久試驗結果

圖4 超聲波探傷底波圖像

鍛件粗加工后送產品檢驗檢測中心進行超聲波探傷檢查.粗加工尺寸為φ578mm×φ475mm×158mm.表面粗糙度1.6μm。水浸探傷底波圖像如圖4所示.探傷按HB7682-2000標準驗收.缺陷顯示的波幅不大于1.5mm當里平底孔顯示的波幅。該高筒類鍛件探傷結果合格.僅環件中徑處底波衰減略大。為保證軋制過程的順利進行.對該高筒類鍛件施加的徑向軋制力較大.變形產生的熱能較多。鍛件壁厚和高度均較大.熱容較大.而且GH907合金導熱系數小.所以心部的熱里散失較慢.結果導致心部的組織略 微脹大。

結束語

⑴確定合理可行的GH907合金高筒類鍛件的成形方案.徑軸向軋制該類鍛件時.環坯的高度方向要預留較小的軋制里。

⑵選用合理的GH907合金的熱加工參數.當軋制溫度到達1050℃.最終終鍛溫度可達1000℃左右.保證了動態再結晶的完成。

⑶經過理化檢測和超聲波探傷檢查.該鍛件的組織性能合格.探傷結果滿足標準要求。