高溫合金轉子葉片擠壓制坯工藝研究

文/鞠秀義，汪大成，史麗坤，陳蘇，丁維·中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司

高溫合金轉子葉片擠壓制坯工藝研究

文/鞠秀義，汪大成，史麗坤，陳蘇，丁維·中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司

鞠秀義，工程師，2006年畢業于哈爾濱工程大學材料科學與工程專業，長期從事航空發動機零件鍛造技術及工藝研究工作。

一種轉子葉片材料為GH4169合金，鍛件采用擠壓制坯及精密成形工藝制造，采用初始工藝方案試制鍛件，在終鍛時出現設備能力不足、葉身厚度值超差、葉身進排氣邊緣撕裂等問題，經分析發現，擠壓預鍛坯葉身大部分截面積過大，導致終鍛時需壓縮變形的金屬過多，變形量過大，超出材料自身塑性變形范圍。通過重新設計擠壓模具，合理調整了葉身及定位凸臺部位的截面積，擠壓出的預鍛坯較好地滿足了終鍛變形需求，獲得了尺寸合格、組織性能優良的葉片鍛件。

一種轉子葉片材料為GH4169合金，該類葉片是航空發動機高壓壓氣機的重要轉動部件，在研制該葉片精鍛毛坯（如圖1所示）的過程中，摒棄了傳統的擠桿＋鐓頭＋預鍛＋精密成形的鍛造成形工藝，代之以擠壓＋精密成形的鍛造成形工藝，用一火次擠壓制坯代替了三火次綜合制坯，不但使成形工藝流程縮短一半，所用鍛造工裝減少一半，而且對葉片獲得較細的晶粒度也非常有利，是一種十分精益的葉片鍛造技術。然而在初始擠壓工藝方案中，采用了常用的開式擠壓方式，葉身長度方向敞開（擠壓坯如圖2所示），最終精密成形時，存在設備打擊力不足且變形量過大的困難，導致葉身厚度超差、葉片進排氣邊緣撕裂等問題的出現，為此需對該葉片擠壓制坯工藝進行研究、優化。

圖1 葉片鍛件

圖2 原擠壓件

工藝性分析

采用DEFORM-3D軟件模擬原擠壓件精密成形的過程，發現鍛造成形后葉身毛邊過大，整個葉身展寬已接近葉身自有寬度的3倍（如圖3所示），同時所需最大打擊力為7.36MN（如圖4所示）。

圖3 模擬終鍛件

圖4 模擬終鍛需要的壓力

分析葉片鍛件（如圖5所示）的特點，鍛件的定位凸臺（A-A）處截面積為86.3mm2，葉身最大截面（B-B）的面積為62mm2。在初始擠壓工藝方案中，葉身長度方向敞開，所擠出的葉身部分是等截面的，為保證截面積最大的葉尖定位凸臺處的充滿，需根據定位凸臺處截面積計算擠壓件葉身部分截面積，計算的結果為106.3mm2（圖5中C-C截面），此面積大于葉身終鍛實際需求的62mm2近一倍，富余材料過多，這對于厚度較薄的轉子葉片來說十分不利，一方面由于GH4169合金是難變形材料，其塑性相對較低，難以滿足葉身大幅度展寬對其流動的需要，導致葉片厚度打不下去，所需設備打擊力急劇增大，同時查出所用鍛造設備1000t螺旋壓力機由于老化，打擊力富余量很小，不能保證精密成形時上下模的完全閉合，因此導致了葉身厚度超差；另一方面由于轉子葉片精密成形時進、排邊緣很薄，不足1mm，且處于大變形區（如圖6所示），易超出合金的塑性極限，導致在鍛件終鍛時進、排氣邊緣產生撕裂。

圖5 終鍛件與原擠壓件截面積對比

圖6 模擬終鍛等效應變

工藝及模具設計

為了降低終鍛投影面積，將所需設備打擊力降下來，并解決葉片進、排氣邊緣產生的撕裂，必須將葉身的截面積縮小，同時還要保證定位凸臺處有足夠的金屬。設計了圖7所示的新擠壓件，將開式擠壓成形改為半閉式擠壓成形，擠壓時金屬先通過模具的狹窄區域Ⅰ，繼續流動到模具的葉尖狹窄區域Ⅱ時遇到障礙，部分金屬改變流動方向，向定位凸臺處填充，使該處聚集足夠的金屬，適應了鍛件葉身的截面積變化（如表1所列），新、舊擠壓件外形如圖8所示，這樣既滿足了葉尖凸臺充滿的需要，又減小了終鍛時的投影面積，模擬結果如圖9、圖10所示。同時不完全采用閉式擠壓成形，允許多余金屬以毛邊的形式擠出，能夠起到保護模具的作用。

圖7 新擠壓件

圖8 擠壓件截面選取位置

表1 新擠壓件各處截面積

圖9 模擬終鍛件

圖10 模擬終鍛需要的力

采用DEFORM-3D軟件模擬新擠壓件精密成形的過程，模擬終鍛件的投影面積為原始的63%，所用能量為3.19MN，預計能夠滿足設備以及工藝要求。

工藝試驗及結果

采用160t沖床擠壓試驗，擠壓前坯料加熱溫度為1050℃，擠壓模具表面預熱溫度為180～210℃。擠壓出的擠壓件如圖11所示。

圖11 新擠壓件實物照片

表2 優化前后擠壓件與終鍛件晶粒度對比

表3 優化前后擠壓件與終鍛件δ相對比

表4 新擠壓件所鍛葉片鍛件性能

采用1000t螺旋壓力機進行終鍛試驗，加熱溫度為1020℃，終鍛件完全充滿，且鍛件厚度達到工藝要求，終鍛件進、排氣邊沒有出現撕裂現象，將優化前后的擠壓件（改變前的擠壓件經過打磨修形）與終鍛件（鍛造參數相同）同時進行如下制度的熱處理：965℃保溫1h，空冷；隨爐升至720℃保溫8h，隨爐降至620℃保溫8h，空冷，并進行晶粒度對比分析（如表2所示）。

從表2中可以看出優化前后的擠壓件的晶粒度大體相當，優化后的終鍛件晶粒度要優于優化前的，兩種設計方式的擠壓件與終鍛件金屬流線均沒有目視可見的缺陷，符合標準要求。為了更加直接區分擠壓件優化前后的差異，對優化前后的擠壓件、終鍛件δ相進行了對比，如表3所示。

通過δ相的對比可以直接看出，優化后的擠壓件δ相明顯優于優化前的擠壓件，同樣與之相對應的終鍛件的δ相也優于優化前。GH4169材料的δ相在經過熱變形的材料或鍛件的冷卻過程中，δ相重新析出，變形量大，促進δ相的析出，數量就多。可見優化后的擠壓件終鍛更加合理，有利于轉子葉片的鍛造成形。經計算，優化后的擠壓件節省材料30.1%。用新擠壓件所鍛葉片鍛件性能見表4。

從表4中可以看出用新擠壓件所鍛葉片鍛件性能均達到技術標準指標要求，且均有一定的富裕度，表明所研制轉子葉片性能優良。

結論

⑴研究表明，采用開式擠壓成形，所擠壓的擠壓件葉身截面積過大，是初始擠壓工藝方案導致葉身厚度超差、葉片進排氣邊緣撕裂等問題的癥結所在。

⑵采用半閉式擠壓成形代替開式擠壓成形，適應了轉子葉片鍛件葉身的截面積變化，有效減小了葉片精密成形時的投影面積，降低所需設備打擊力，解決了葉身厚度超差、葉片進排氣邊緣撕裂等問題，且節省材料30.1%。

⑶采用優化后的擠壓制坯工藝，所成形的擠壓件和葉片鍛件晶粒度及主要強化相均優于優化前，所研制的葉片鍛件具備優良的性能。