燃氣輪機用GH4698合金渦輪盤鍛造工藝

文／宗師，李輝，張凱·西安三角防務股份有限公司

燃氣輪機渦輪盤材料GH4698是一種特殊的鎳基高溫合金，其合金化程度較高，鍛造時具有較高的變形抗力和較窄的變形溫度范圍，所以要滿足鍛件的內在質量要求，必須制定合理的工藝路線。本文從材料的化學成分、鍛造工藝、數值模擬和試制生產等方面介紹了渦輪盤的生產過程。經驗證通過熱處理固溶、時效后的渦輪盤鍛件，顯微組織、力學性能完全達到使用要求，并且已批量生產，效果良好。

GH4698合金是以γ'相為強化相的沉淀強化型難變形鎳基合金，主要強化元素為鋁、鈦、鉬、鈮、鉻等，其合金化程度較高，鍛造時具有較高的變形抗力和較窄的變形溫度范圍，給鍛造帶來困難。主要用作大型燃氣輪機渦輪盤材料，使用條件惡劣，性能要求苛刻。

鍛件的化學成分及性能要求

該渦輪盤鍛件的原材料采用牌號為GH4698的高溫合金，化學成分要求見表1，力學性能要求見表2。

鍛件不得存在過燒、過熱組織，表面不得存在空洞、針孔、裂紋、分層、疏松、環形偏析和外來夾雜等缺陷。GH4698屬鎳基高溫合金，該材料鍛造溫度范圍窄，為了獲得最佳使用性能，必須精確控制鍛造溫度，當鍛件溫度降至再結晶溫度以下進行鍛造時，會對內部組織造成嚴重影響，形成混晶。所以要滿足鍛件的質量要求，必須合理分配鐓餅及模鍛過程中坯料的變形量，控制在50%～70%，模鍛過程中對坯料進行硬包套，保證坯料能夠有較高的始鍛溫度，嚴格控制坯料在鍛造過程中的轉移時間及終鍛溫度。

表1 鍛件的化學成分(wt%)

表2 鍛件的力學性能

鍛造工藝方案

主要工藝路線

從下料開始直至鍛件的最終理化完成，確定了以下主要工藝路線，見圖1。

主要工藝過程

⑴下料。

圖1 鍛造工藝路線

用線切割對棒材進行下料，車棒料兩端面、倒角，要求兩端面垂直度≤0.5°，線切割下料熱影響區單邊加工量1～2mm，倒角R20～R30mm，不允許打頂尖孔，每段棒料需標記熔煉爐（代)號、錠節號、鍛件圖號，檢驗人員需對棒料的尺寸、表面質量、標記內容進行核對。

⑵鐓餅。

鍛造設備為400MN液壓機，加熱設備為高溫電爐(爐溫均勻性±10℃)，加熱規范見圖2。

圖2 鍛件鐓粗加熱規范

1)硬包套：保溫材料、高溫合金粘結劑、石墨粉、0.8～1.5mm厚的1Cr18Ni9Ti不銹鋼板，常溫下對坯料進行硬包套并做標記；

2)爐溫均勻性校準后須在有效期內，毛料必須裝在控溫合格區內。加熱前清掃爐膛，按錠節號裝爐，并記錄裝爐位置，毛料必須單層擺放，且料間距≥100mm。

鍛造技術要求：

1)坯料轉移時間≤30秒，鐓餅前坯料兩端面應墊上撒有石墨粉的保溫材料；

2)終鍛溫度≥1000℃；

3)冷卻方式：去掉包套散開空冷；

4)吹砂、打磨：排除表面缺陷，其寬深比≥10。

鍛造工藝參數：將坯料鐓餅至φ775mm×(375±10)mm，詳細工藝參數如下。

1)空程階段：距零點1500～1300mm，速度110mm/s；

2)壓制階段：距零點1300～375mm，速度5mm/s。

⑶模鍛。

在400MN液壓機上進行模鍛，加熱設備為高溫電爐(爐溫均勻性±10℃)，模具預熱溫度250～350℃，預熱時間≥12小時，模具潤滑采用水基石墨；坯料同樣采用硬包套，模鍛加熱規范見圖3，鍛造技術要求同鐓餅工序，模鍛工藝參數如下。

1)空程階段：距零點950～350mm階段，速度110mm/s；

2)壓制階段1：距零點350～70mm階段(欠壓50mm)，速度 5mm/s；

3)壓制階段2：距零點70～25mm階段(欠壓5mm)，速度 1mm/s。

模鍛完成后對鍛件進行首次粗加工、熱處理前探傷、熱處理(固溶+時效)、粗加工、最終探傷、理化檢測等工序。

數值模擬驗證

運用Simufact有限元分析軟件對工藝規程進行數值模擬驗證，按照工藝規程選定數值模擬參數，分析模鍛溫度、壓制速度、荒形尺寸對最終鍛件的成形效果、應變場及溫度場的分布影響，最終驗證工藝規程的可行性，模擬結果見圖4～6。

圖3 鍛件模鍛加熱規范

圖4 應變場模擬結果

圖5 溫度場模擬結果

圖6 成形效果模擬結果

通過分析圖4～6模擬結果，可以發現終鍛完成，渦輪盤鍛件除表面局部存在溫降區域，內部其他部分溫度均在1000℃以上，鍛件內部最高溫度1135℃，內部最大溫升15℃；渦輪盤鍛件內部所有區域等效應變均在0.7以上，變形充分；成形過程未見異常，鍛件上下模充填良好，毛邊均勻。

以上數值模擬結果驗證了該工藝規程的可行性，為后續試制生產提供了理論基礎。

試制生產

按照制定好的工藝方案進行試制生產，具體生產過程見圖7。終鍛完成后鍛件上下模充填良好、毛邊均勻，達到了鍛件圖的外形尺寸要求，最終粗加工交付件如圖8所示。

圖7 鍛件試制生產

表3 鍛件的力學性能

圖8 粗加工件

圖9 鍛件顯微組織

理化檢測

鍛件經熱處理固溶、時效后，其力學性能見表3，顯微組織見圖9。鍛件經理化檢測無過熱、過燒組織，晶粒度為2～3級，各項性能指標滿足技術條件要求。

結束語

經首批試制及小批量生產證明，該工藝方案生產的渦輪盤鍛件滿足產品設計及使用要求，現已批量生產，效果良好。