熱處理及裝配校形對鈑金性能的影響分析

喬 邁，張 超，梁 偉，劉博志

（中國航發沈陽發動機研究所，遼寧 沈陽 110015）

0 引言

某型航空發動機的主承力機匣工作在高溫高壓環境中，為了滿足該承力部件材料對溫度的要求，在其上包覆鈑金件以保護承力部件免受高溫侵襲[2]。該鈑金件為薄壁焊接組件，具備典型的鈑金、焊接、機械加工工藝特點。為了消除焊接應力，工藝流程中安排了焊后熱處理；另外，由于結構復雜、成形后的尺寸及位置精度較差，在裝配過程中往往伴有多次校形操作。

實際應用表明，該鈑金件的使用環境惡劣，在工作中受熱應力及氣動力的綜合作用，特別是長時間使用后會出現裂紋。分析認為，產生裂紋的主要原因是鈑金件校形后會出現原始微小裂紋，焊后熱處理導致材料力學性能下降，在復雜的交變載荷作用下產生裂紋。本文以某發動機使用鈑金件為例，開展熱處理溫度及校形次數對鈑金件力學性能的影響研究，以期提升產品質量并為后續研究提供參考。

1 鈑金件結構

某型航空發動機承力機匣的結構復雜，裝配在其上的鈑金件需適應承力框架的主體結構形狀進行設計，導致整個鈑金件的結構復雜。其局部結構如圖1 所示。

圖1 鈑金件結構

在材料選擇上，考慮鎳基高溫合金的高強度、良好的抗氧化性與熱穩定性，且部分變形類鎳基高溫合金具有良好的冷成形性能[3-4]，選取GH536 材料作為鈑金件的材料。GH536 材料是鉻和鉬固溶強化的鎳基合金，具有良好的抗氧化和耐腐蝕性能，在900℃以下有中等的持久和蠕變強度。

圖1 所示的鈑金件1 設計有翻邊，鈑金件2 為中空結構并包裹在整體鑄造成形的承力機匣的支板上。裝配過程中鈑金件1 的翻邊與鈑金件2 之間有間隙控制要求。

該鈑金件的成形過程主要包括激光切割、鈑金沖壓、翻邊、鉗工修整等工藝環節。傳統的鈑金成形[5]是利用金屬在固體狀態下的塑性，通過模具以及外力作用而制成零件的一種加工方法。由于包覆結構復雜，鈑金件的形狀很難由一塊鈑金加工而成，因此成形過程還涉及零件焊接及焊后熱處理。

另外，在零件加工階段，鈑金件1 的翻邊采用整體脹型模具，成形后翻邊尺寸一致性差，且翻邊成形會有回彈，需依靠手工進行校正，導致零件型面一致性較差；在零件裝配階段，由于整體鑄造承力框架的支板位置度較差，導致鈑金件1 和鈑金件2 周向間隙分布不均勻，為保證間隙設計要求需對翻邊位置進行手工校形。

2 表面狀態影響分析

實際裝配過程中，鈑金件的校形工作不可避免，且校形次數、彎折角度等參數均沒有統一規定，這對鈑金件的使用會帶來不利影響。為研究該過程，分別對零件實物的實際校形位置和不同校形次數的試驗件進行微觀形貌檢查。

零件實物檢查位置如圖2 所示，本次試驗共對4組零件實物進行觀察，每組試驗件的觀察位置一致，檢查結果以第一組試驗件的結果為例進行說明，結果如圖3 所示。

圖2 實物檢查位置

圖3 實物檢查結果

分析結果可知，在500 倍電鏡下，零件實物翻邊的各檢查位置下均可見微小裂紋及校形工具的磨損痕跡，其他3 個試樣的檢查結果與1 號試樣的檢查結果一致。

為進一步研究校形次數對零件的影響，選取模擬試驗件共10 件（分為2 次校形和22 次校形2 組，每組各5 件），觀察試驗件校形部位的表面微觀形貌，試驗件及觀察位置如圖4 所示，以校形2 次和22次3#試驗件的觀察結果為例進行說明，檢查結果如圖5 所示。

圖4 試驗件檢查位置

圖5 試驗件檢查結果

分析圖5 可知，GH536 材料模擬試驗件經過2次校形后，3#模擬試驗件校形部位在500 倍放大的視野下未發現明顯裂紋；GH536 材料模擬試驗件經過22 次校形后，3#模擬試驗件校形部位在500 倍放大視野下可見密集、細小的微裂紋。其他各校形次下不同編號模擬試驗件的檢查結果與示例檢查結果一致。

以上分析表明，鈑金件在裝配和使用過程中的校形會在零件的校形彎折位置產生原始微裂紋，且微裂紋的產生與校形次數之間存在對應關系，校形次數越多越容易出現裂紋。

3 力學性能影響分析

3.1 焊后熱處理的影響

某型發動機承力機匣的鈑金件由于結構復雜，由多塊鈑金件及相同材料的鍛件安裝邊焊接而成，為了消除焊接應力，工藝中安排了焊后熱處理工序。為了研究焊后熱處理對鈑金件力學性能的影響，開展了經過熱處理工序處理的GH536 板材在715℃和760℃試驗溫度下的高溫拉伸疲勞性能對比試驗，試驗結果如圖6 及表1 所示。

表1 拉伸疲勞試驗結果（熱處理與否）

圖6 拉伸疲勞試驗結果（熱處理與否）

分析圖6 及表1 可知，GH536 材料鈑金件的高溫拉伸疲勞性能在相同試驗溫度下，熱處理后試驗件的拉伸疲勞性能較未經熱處理的試驗件下降較大；熱處理后的試驗件在不同試驗溫度下的拉伸疲勞性能有所差異，試驗溫度越高，拉伸疲勞性能越差。整體而言，鈑金件是否經過熱處理對其力學性能影響最大。

3.2 校形次數的影響

由本文第2 章的分析結果可知，鈑金件在經過多次校形后其表面會存在原始微裂紋。鈑金件一旦存在原始微裂紋后，其在后續的使用過程中容易在原始微裂紋位置萌生目視可見的裂紋并擴展，重要的是校形操作也會對材料的力學性能產生影響。

為了研究鈑金校形次數對其力學性能的影響，開展開展GH536 板材校形2 次和22 次在715℃和760℃試驗溫度下（試驗件均未經過熱處理）的拉伸疲勞對比試驗，試驗結果如圖7 及表2 所示。

表2 拉伸疲勞試驗結果（不同校形次數）

圖7 拉伸疲勞試驗結果（不同校形次數）

分析圖7 及表2 可知，GH536 材料鈑金件拉伸疲勞性能在相同校形次數下，試驗溫度越高材料力學性能越差；相同試驗溫度下，校形次數越多材料力學性能越差，但差別較小，且這種差異隨著試驗溫度的升高而減小，這說明隨著試驗溫度的升高，高溫造成的材料力學性能下降起著主導作用。

4 結語

本文以某型發動機使用的GH536 材料的鈑金件為例，介紹了該鈑金件的結構、成形工藝及主要的工藝環節。通過試驗手段，詳細分析了成形及裝配過程中焊后熱處理、校形對材料力學性能的影響，主要結論如下：

（1）鈑金件在成形和裝配過程中的校形操作會在校形的彎折位置產生原始微裂紋，且微裂紋的產生與校形次數之間存在對應關系，校形次數越多越容易出現微裂紋。

（2）相同試驗溫度下，經過熱處理的試驗件較未經熱處理的試驗件的拉伸疲勞性能下降較大；熱處理后的試驗件在不同試驗溫度下的拉伸疲勞性能有所差異，但差異不顯著，整體而言，鈑金件是否經過熱處理對其力學性能影響較大。

（3）在相同校形次數下，試驗溫度越高材料力學性能越差；相同試驗溫度下，校形次數越多材料力學性能越差，但差別較小，且這種差異隨著試驗溫度的升高而減小，這說明隨著試驗溫度的升高，高溫造成的材料力學性能下降起著主導作用。