GH4169合金環(huán)形鍛件均勻性及工藝分析

文/邰清安，李昌永，李治華·中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司

通過對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣用GH4169合金環(huán)形鍛件周向不同部位力學(xué)性能和同一截面不同位置晶粒組織均勻性檢測(cè)，評(píng)估其均勻性是否符合要求；并根據(jù)影響GH4169合金晶粒組織和力學(xué)性能的規(guī)律，分析其鍛造、熱處理工藝過程控制的優(yōu)化方向。

GH4169合金是一種鐵-鎳-鉻基的變形高溫合金，合金組織由γ基體、δ相、碳化物和作為強(qiáng)化相的γ"（Ni3Nb）和γ'〔Ni3（Al、Ti）〕組成，在-253～650℃的溫度范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。該合金具有強(qiáng)度高、抗氧化、抗輻照、熱加工性能和焊接性能好的特點(diǎn)，因而成為航空、航天及核能、石油領(lǐng)域大量應(yīng)用的關(guān)鍵材料。該合金最大優(yōu)點(diǎn)是通過調(diào)整熱變形工藝參數(shù)，可以獲得具有不同晶粒尺寸和不同性能水平的各種冶金產(chǎn)品與鍛件。美國(guó)在發(fā)明了Inconel718合金后，經(jīng)過五十多年的連續(xù)研究、生產(chǎn)和應(yīng)用，不斷深化對(duì)合金的認(rèn)識(shí)，同時(shí)不斷開發(fā)新工藝和新技術(shù)，使該材料的應(yīng)用領(lǐng)域相繼擴(kuò)大，目前的產(chǎn)量達(dá)到變形高溫合金總產(chǎn)量的45%，特別在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中用量更大。而GH4169合金也已成為我國(guó)一材多用的變形高溫合金，冶金產(chǎn)品有不同規(guī)格的鍛棒、熱軋棒、冷拉棒、板、帶、絲、管，制造的零件有各類盤、轉(zhuǎn)子、環(huán)、機(jī)匣、軸、緊固件、彈性元件等。國(guó)內(nèi)外對(duì)該合金進(jìn)行了多年的生產(chǎn)，也積累了大量的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該材料有了較為全面的認(rèn)識(shí)：生產(chǎn)該材料比生產(chǎn)任何一種γ'強(qiáng)化的合金要困難，其原因是該材料化學(xué)成分復(fù)雜，導(dǎo)熱性能較低、變形溫度區(qū)域窄，合金的組織和性能對(duì)熱加工工藝極其敏感，如果掌握不當(dāng)或生產(chǎn)中不能嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，則會(huì)出現(xiàn)大量廢品。軋制環(huán)件因其制造成本低、生產(chǎn)效率高，而廣泛的應(yīng)用于各主要的工業(yè)領(lǐng)域，并且軋制環(huán)件組織致密、強(qiáng)度高、韌性好，是航空航天和船舶等高端裝備裝置中承力環(huán)形零件毛坯的主要來源。隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，極端環(huán)境下服役的設(shè)備和零部件日益增多，高性能精密環(huán)件的需求也大大的增加。但是軋制環(huán)件在使用過程中出現(xiàn)的諸如機(jī)加過程中變形，組織性能均勻性和穩(wěn)定性不盡如人意等問題，日益成為制約我國(guó)高端裝備，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造成本控制以及成品質(zhì)量提高的障礙。我們將分析軋制環(huán)件在機(jī)加過程中的變形情況，在軋制環(huán)件內(nèi)部應(yīng)力的消除或均勻化工藝等內(nèi)容上進(jìn)行研究，以制造出生產(chǎn)工藝穩(wěn)定的內(nèi)部應(yīng)力低或內(nèi)部應(yīng)力均勻的軋制環(huán)件。

GH4169合金環(huán)形鍛件試驗(yàn)用原材料及其成形工藝

原材料

對(duì)棒材的頭尾進(jìn)行化學(xué)成分、橫向力學(xué)性能、低倍組織檢查。棒材頭尾的中心、邊緣和R/2處進(jìn)行晶粒度、碳化物、碳氮化物、δ(Ni3Nb）相、Laves相檢查。

化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。從試驗(yàn)結(jié)果看，頭尾部分的化學(xué)成分比較均勻，Nb含量在標(biāo)準(zhǔn)上限，S含量?jī)H4ppm。

表1 化學(xué)成分

力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表2。從力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果看，均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，頭尾部分無(wú)明顯差異。

表2 性能測(cè)試結(jié)果

棒材的低倍如圖1所示。從圖中可知，棒材頭尾無(wú)差異，均無(wú)暗腐蝕區(qū)、淺腐蝕區(qū)和其他缺陷。

棒材的碳化物、碳氮化物、晶粒度如圖2、圖3所示。從圖中可知，棒材頭尾無(wú)差異，碳化物、碳氮化物分布均勻，碳化物未超過標(biāo)準(zhǔn)圖片317164，碳氮化物未超過圖片8211011，邊緣的晶粒度為8.5級(jí)，中心為7.5級(jí)，R/2處為6.5級(jí)。

圖1 棒材低倍組織

圖2 頭部晶粒度

圖3 尾部晶粒度

δ(Ni3Nb）相如圖4、圖5所示，從圖中可知，頭尾的δ相分布狀態(tài)相似，邊緣明顯比中心和R/2處多，頭部邊緣為2級(jí)，尾部邊緣為3級(jí)，中心和R/2處為1級(jí)。所有位置均未發(fā)現(xiàn)Laves相。

圖4 頭部δ(Ni3Nb)相

圖5 尾部δ(Ni3Nb)相

通過對(duì)CARPENTER公司生產(chǎn)的GH4169進(jìn)行測(cè)試分析，棒材整體比較均勻，其化學(xué)成分、高低倍組織和力學(xué)性能，頭尾均無(wú)明顯差異。

成形工藝

機(jī)匣環(huán)鍛件的成形工藝流程為：鐓粗-沖孔-第一次預(yù)軋-第二次預(yù)軋-終軋-標(biāo)準(zhǔn)熱處理。加熱參數(shù)按照如圖6所示的曲線進(jìn)行。

其中加熱不限定加熱爐和數(shù)量，直接從φ280mm×330mm鐓粗至 H=(140±3）mm，選用φ180～φ190mm沖頭沖孔，第一次預(yù)軋按φ(515±10）mm和φ(280±10）mm控制內(nèi)外徑，并平高度至H=(130±3）mm；第二次預(yù)軋按φ(670±10）mm和φ(510±10）mm控制內(nèi)外徑，并平高度至H=(128±3）mm；終軋到尺寸，無(wú)特殊控制要求，然后粗加工，標(biāo)準(zhǔn)熱處理交付。

環(huán)形鍛件均勻性評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)預(yù)軋后中間坯和終軋后環(huán)件進(jìn)行組織、力學(xué)性能和超聲波探傷檢測(cè)，其中力學(xué)性能、硬度和高倍組織試樣取自環(huán)件橫截面如圖7所示的不同位置，檢測(cè)結(jié)果如表3、表4所示，組織形貌如圖8所示。

圖6 鍛造加熱曲線

圖7 硬度、高倍和力學(xué)性能取樣位置示意圖

表3 硬度、晶粒度及探傷檢測(cè)結(jié)果

表4 性能數(shù)據(jù)

圖8 沿環(huán)件圓周120°三處截面不同位置的高倍組織

討論與分析

從原材料和鍛件的取樣位置和理化結(jié)果看，原材料成分和組織比較均勻。

取自鍛件高向三個(gè)不同區(qū)域的力學(xué)性能基本一致；其中2號(hào)區(qū)域（中部）的室溫拉伸、650℃拉伸強(qiáng)度略高，650℃、690MPa持久性能略低；上下端面的室溫拉伸、650℃拉伸非常接近，650℃、690MPa持久性能相同。

取自鍛件等分三個(gè)截面處相同位置硬度略有差異，平均硬度基本相同；1、2、3截面硬度差值分別為16、14、10個(gè)單位，表明上端差異最大，下端最小。

取自鍛件等分三個(gè)截面處相同位置組織基本一致；每個(gè)截面6個(gè)典型位置的晶粒組織有一定差異，3，4位置（心部）有混晶現(xiàn)象，1、2、5、6位置基本上呈等軸晶，晶粒尺寸相對(duì)均勻，平均在100μm左右。

該環(huán)形鍛件經(jīng)歷了從棒材加熱到鐓粗后形成餅材，餅材加熱沖孔后第一次預(yù)軋平高度，再第二次加熱預(yù)軋平高度，然后加熱終軋并標(biāo)準(zhǔn)熱處理的熱加工過程。其中鐓粗、沖孔加熱溫度為1040℃，其他預(yù)軋和成形過程加熱1020℃，標(biāo)準(zhǔn)熱處理固溶溫度不高于980℃。

根據(jù)研究GH4169合金晶粒組織在950～1020℃區(qū)間隨加熱時(shí)間緩慢長(zhǎng)大，1020℃以上由于δ相溶解會(huì)快速長(zhǎng)大。1040℃加熱120min后從φ280mm×330mm直接鐓粗至H=140mm，晶粒尺寸從平均ASTM6級(jí)長(zhǎng)大到3級(jí)左右，然后經(jīng)過60%左右大變形鐓粗，發(fā)生再結(jié)晶形為ASTM6～7級(jí)左右均勻晶粒組織；再經(jīng)1040℃加熱60min左右長(zhǎng)大到ASTM4～5級(jí)，經(jīng)φ180～φ190mm沖頭沖孔，除心部發(fā)生局部剪切變形，其余環(huán)件本體基本上不發(fā)生變形，晶粒大體保持不變。隨后經(jīng)三次1020℃加熱60min左右分別在壁厚方向進(jìn)行20%～30%左右和高度表面10%左右變形，晶粒反復(fù)加熱長(zhǎng)大和變形后趨于均勻，達(dá)到ASTM4級(jí)；而心部（位置3、4）由于變形較大，溫度較高（軋制過程數(shù)值模擬溫度場(chǎng)如圖9所示）而發(fā)生了部分再結(jié)晶，出現(xiàn)ASTM4級(jí)晶粒混雜ASTM7～8級(jí)細(xì)小再結(jié)晶晶粒現(xiàn)象，而隨后低于980℃的固溶處理。并不能改變上述晶粒分布狀態(tài)，所以出現(xiàn)上述結(jié)果。

從三個(gè)區(qū)域的力學(xué)性能基本一致和細(xì)微差異也印證了這種組織分布的結(jié)果。區(qū)域二室溫拉伸強(qiáng)度、硬度和650℃拉伸強(qiáng)度略高，而持久性能偏低，正是存在混晶組織的反映。

從以上分析表明，現(xiàn)行工藝制度下機(jī)匣環(huán)形鍛件組織、性能基本均勻，心部存在一定量再結(jié)晶組織。可以考慮降低心部溫度（加熱溫度），或減少心部變形量（降低軋制進(jìn)給速度）等措施使心部不發(fā)生再結(jié)晶，從而獲得完全均勻的ASTM4～5級(jí)組織。

圖9 軋制過程數(shù)值模擬溫度場(chǎng)

結(jié)論

⑴現(xiàn)行工藝制度下機(jī)匣環(huán)形鍛件組織、性能基本均勻；

⑵工藝進(jìn)一步改進(jìn)可以考慮降低心部溫度（加熱溫度），或減少心部變形量（降低軋制進(jìn)給速度）等措施，使心部不發(fā)生再結(jié)晶，從而獲得完全均勻的ASTM4～5級(jí)組織。