GH4169合金航空葉片類零件楔橫軋制坯工藝的研究

文/甘洪巖,陳巖,程明,宋鴻武,張士宏·中國科學院金屬研究所

GH4169合金航空葉片類零件楔橫軋制坯工藝的研究

文/甘洪巖,陳巖,程明,宋鴻武,張士宏·中國科學院金屬研究所

本文介紹了一種短流程可實現成形成性一體化控制的GH4169合金航空葉片類零件高效、高精密楔橫軋制坯方法，其有助于實現葉片類零件短流程高效無余量精密塑性成形成性一體化制造。

背景介紹

鎳基GH4169高溫合金因具有優異的高溫性能而被廣泛應用于制造航空航天關鍵零部件。然而，GH4169合金制造零件的機械性能受成形后微觀組織影響很大，晶粒尺寸主要依靠熱成形工藝控制。目前GH4169合金葉片類零件制坯常采用熱成形（熱鍛、熱擠壓）及機械加工方法。

普通熱鍛法效率低、精度難以保證，一般必須進行后續切削加工。一方面切削加工會嚴重降低加工效率和材料利用率，另一方面破壞了鍛造流線和表層組織，改變了表面殘余應力分布，導致鍛件變形和疲勞性能嚴重降低，需要進一步校形、噴丸處理和光整加工。因此，國內外工業界不斷尋求葉片類零件高效無余量精密塑性成形成性一體化制造技術——楔橫軋制工藝。

楔橫軋指圓柱形坯料在兩軋輥的模具間或在兩平板模具之間發生連續局部變形，軋制零件形狀和模具底部型槽形狀一致的工藝技術。楔橫軋技術是一種高效、近凈成形的金屬塑性成形工藝。加工時材料同時發生徑向壓縮變形和軸向延伸變形，能充分發揮金屬材料的塑性潛力。與其他軋制成形相比，楔橫軋可高效地加工出變截面零件，利用該工藝所軋制的產品具有較高的強度和耐磨性，適用于各種結構鋼、工具鋼、銅基、鈦基、鎳基和鋯基等合金進行塑性加工。目前，楔橫軋技術在世界范圍內受到重視，主要用于汽車軸類件和工程機械軸類件的生產。目前楔橫軋主要有以下幾種形式（圖1）。

GH4169合金航空葉片類零件制坯現狀

目前，GH4169合金航空葉片類零件制坯加工制造方法主要有鑄造法和多道次熱鍛法。鑄造法由于其組織缺陷難以避免，在不能滿足組織性能要求時一般需要采用塑性加工法。

其中利用航空材料超塑性特性提出的等溫精密鍛造成形技術已經成功應用于航空發動機渦輪盤、壓氣機葉片等航空復雜鍛件精密成形。近年來等溫精密鍛造技術在國內航空制造領域發展較快，但遠未達到大量推廣應用的工業化技術水平，這主要是因為其模具由特殊材料制造，費用比普通模具高得多；且需要穩定均勻可控的模具加熱系統；為防止工件和模具氧化，還需要額外的真空或惰性氣體保護裝置等。制造成本高、成形效率低成為限制該技術推廣應用的重要瓶頸。

圖1 楔橫軋結構

近年來葉片冷輥鍛技術在國內外受到了極大重視，取得了一定應用成果。然而，葉片傳統冷輥軋技術由于模具和工藝設計復雜，主要采用試錯法反復調試，工業界還需保留0.1～1mm的切削加工余量，難以達到無余量的精確成形成性一體化制造。

中科院金屬研究所張士宏老師課題組在高溫合金葉片傳統冷輥鍛技術基礎上，創造性的提出了高溫合金壓氣機葉片無余量冷輥軋精確成形工藝。該工藝無需后續的切削和噴丸工序，實現了高效短流程制造，材料利用率提高30%以上，加工效率提高近一倍，給航空發動機葉片及其復雜型面關鍵零件的成形成性一體化制造提供了新的思路。因此高效的精確制坯技術和無余量輥鍛設計理論方法是推動航空葉片類復雜零件無余量高效精密成形的關鍵技術，對推動我國航空零件關鍵零部件的制造，提升航空零件成形成性一體化具有長遠意義。

高溫合金GH4169合金楔橫軋制坯

目前，采用楔橫軋制坯大都集中于汽車軸類件的加工中。由于航空零件性能要求高，大都采用高性能難成形材料如高溫合金、鈦合金等，但尚未采用楔橫軋制坯方法。在高溫合金航空葉片類零件楔橫軋方面的研究也僅限于有限元分析，而且報道也較少。課題組結合在高溫合金GH4169合金材料成形性能分析及塑性加工方面的優勢，創造性的提出了高溫合金壓氣機葉片無余量冷輥軋精確成形工藝，即楔橫軋制坯-輥鍛成形的高效成形方式。

首先，采用有限元仿真軟件DEFORM對楔橫軋全過程進行仿真模擬，軋制結果以圖形化形式顯示，便于對軋件在軋制過程中金屬的流動規律、應力、應變狀態進行分析，對模具的設計起到指導作用。通過楔橫軋過程軋制不同位置及不同軋制階段的溫度場變化云圖，分析楔橫軋過程中軋件在同一橫斷面上不同位置的溫度場變化趨勢以及在不同軋制階段軋件的溫度場變化規律、不同位置不同軋制階段等效應力、等效應變的變化規律以及不同軋制速度對楔橫軋不同階段等效應力的變化規律，為分析組織演變規律提供理論基礎。

⑴有限元模擬模型建立。

結合零件的結構特點、材料利用率、成形精度及成形效率等因素，采用板式楔橫軋加工。模具設計的主要參數見表1。采用三維建模軟件SolidWorks進行楔橫軋模具建模并保存為STL文件格式。圖2為有限元模擬采用的楔橫軋模型。

表1 主要模具設計參數

圖2 板式楔橫軋模型

⑵楔橫軋不同階段動態再結晶體積分數、晶粒尺寸。

將固溶態高溫合金GH4169的動態再結晶模型及晶粒尺寸模型應用FORTRAN語言寫入DEFORM軟件二次開發接口文件，應用表2所示的GH4169合金的動態再結晶模型得出楔橫軋不同階段動態再結晶體積分數分布圖（圖3）和晶粒尺寸圖（圖4）。從圖3中可以看出，軋件動態再結晶體積分數由楔入段-展寬段-平整段逐漸增加，這是由于隨著軋制過程的進行，軋件的等效應變由軋件表面向軋件心部逐漸增大，只有等效應變到達GH4169合金的開始發生動態再結晶的臨界應變時才能發生動態再結晶。對應圖4可以清晰的發現在發生動態再結晶位置晶粒尺寸得到明顯的細化。從圖3和圖4分析中可以看出在展寬段后期和平整段，再結晶體積分數和晶粒尺寸并未發生明顯變化。

楔橫軋制坯件微觀組織分析

⑴溫度對楔橫軋成形的影響。

試驗中采用不同的熱處理溫度和熱處理時間，分析熱處理溫度和熱處理時間對楔橫軋成形性的影響。熱處理工藝如下：試驗溫度范圍1100～1250℃，保溫時間10～60min，不同的熱處理工藝得到的軋制狀態如圖5所示：從軋制件情況看，GH4169合金的軋制溫度及保溫時間對楔橫軋成形有較大影響。

⑵楔橫軋件微觀組織及第二相球化分析。

將高溫合金GH4169楔橫軋件沿軸向剖開，對不同工藝條件下楔橫軋件的金相組織及第二相球化進行分析，楔橫軋件的金相組織及δ相形貌如圖6、圖7所示，通過對不同工藝條件下組織形貌的分析得出楔橫軋對GH4169高溫合金組織演變的影響規律。從金相圖中可以看出楔橫軋件表面晶粒較心部晶粒細小，這是由于軋件表面變形量要大于軋件心部，軋件表面動態再結晶較心部充分。在工藝條件設置不佳時，容易出現混晶現象影響軋件的性能；第二相粒子δ相在楔橫軋后會出現明顯的“球化”現象，“球化”程度與楔橫軋工藝條件及軋件徑向不同位置有關，越靠近軋件表面δ相“球化”程度越大，在心部“球化”效果不明顯。通過調整工藝參數可以實現整個軋件內部δ相完全“球化”。

表2 GH4169合金動態再結晶模型

圖3 動態再結晶體積分數

圖4 楔橫軋各階段晶粒尺寸

圖5 不同熱處理工藝下楔橫軋成形件

圖6 GH4169楔橫軋金相組織

結束語

楔橫軋具有高效、節材、易于實現成形成性一體化控制的技術優勢。結合材料特性開發航空葉片類難變形材料復雜件的楔橫軋制坯技術，加強難變形材料成形特性、楔橫軋過程中的組織演變規律等的研究對航空葉片類零件楔橫軋制坯應用具有重大意義。

圖7 δ相演化規律

此外，楔橫軋技術有望應用于高溫合金材料的零件制坯工藝，并實現這種高效加工技術的工業化拓展。

甘洪巖，副研究員。主要研究楔橫軋技術在高溫合金成形成性一體化中的應用，擁有發明專利一項。