Waspaloy合金大錐角多臺階機匣環鍛件成形工藝研究

文/劉冠楠，鄒朝江，王攀智，龔忠興·貴州航宇科技發展股份有限公司

航空發動機用機匣在鍛造過程中截面復雜處成形困難且變形抗力大，這對中間異形坯料的設計和軋制過程的穩定性提出了很高的要求。通過對Waspaloy合金大錐角多臺階機匣環鍛件成形工藝的研究，結合有限元數值模擬技術，鍛造采用異形中間坯、異形精密軋制的方法，最終生產的機匣所有尺寸滿足交付要求，同時得到滿足標準要求的組織性能。

Waspaloy合金是以γ'相沉淀強化的鎳基高溫合金，具有良好的耐燃氣腐蝕能力、較高的屈服強度和疲勞性能，廣泛應用于航空發動機轉動部件，使用溫度不高于815℃。可以生產冷軋和熱軋板材、管材、帶材、絲材和鍛件、鑄件、緊固件。

本文以我公司某機匣鍛件為研究對象，由于鍛件大小頭直徑差大，整體截面變化較大呈多臺階狀，而且Waspaloy合金變形抗力大，不能使用傳統矩形坯料終軋成形的方式制坯，所以中間坯必須采用胎模異形制坯的方式實現鍛件體積的重新分配，然后通過精密軋制完成終軋。

鍛件工藝分析及方案設計

鍛件情況

鍛件尺寸如圖1所示，鍛件形狀復雜因素示意圖見圖2，鍛件型面設計充分考慮粗加工型面，使得材料利用率達36%。根據JB/T 10478-2004《熱軋環形件機械加工余量及公差》公式，計算出該鍛件形狀復雜因素S=0.23，屬于S3級別(S3<0.35)。鍛件信息情況見表1。

圖1 Waspaloy 合金異形機匣鍛件圖

圖2 鍛件形狀復雜因素示意圖

難點分析

⑴鍛件整體錐度約為34°，重766kg，內徑大小頭相差436mm，外徑大小頭相差472mm，高度達452mm，且整體截面變化較大呈多臺階狀。

⑵鍛件材料為Waspaloy合金，屬于難變形高溫合金，其鍛造溫度區間窄，變形抗力大，在鍛造過程中鍛件極易開裂。想要得到具有良好表面質量和組織均勻的異形機匣，必須在鍛造過程中輔助一定的保溫措施和工裝模具。

⑶軋制大錐角多臺階機匣環鍛件，中間坯須采用胎模異形制坯的方式實現鍛件體積的重新分配。異形坯料成形過程對設備和操作方式要求較高，要求成形后的異形中間坯料圓角填充完整，斜度和型面滿足終軋的要求，所以制備體積分布合理的異形坯料是一個關鍵點。另外由于機匣錐度大，整體截面多臺階，最終軋制過程鍛件容易失穩產生質量問題。

⑷在機匣鍛件尺寸型面滿足交付的同時組織性能也須滿足標準，需要合理的加熱溫度和變形量，根據不同工序調整加熱溫度，并準確計算每火次鍛造變形量。

關鍵技術

⑴有限元數值模擬技術。采用同一坯料逐工序對整個流程進行了數值模擬分析，結合生產經驗和對模擬結果的分析與調整，確定合理的工藝路線，保證鍛件在整個流程中，坯料體積分布合理，應力、應變和溫度分布均勻，軋制過程穩定。

⑵異形環坯的制備技術。采用胎模制坯的方式制備體積分布合理的異形中間坯料，異形坯料與機匣鍛件體積分布見圖3，保證異形坯料與機匣鍛件體積分布滿足V1=K1，V2=K2，V3=K3。這樣可以減少材料消耗，使終軋過程的應力、應變和溫度分布更加合理，提高終軋過程的穩定性，保證終軋后鍛件尺寸形狀和組織性能滿足要求。胎模制異形中間坯的數值模擬結果見圖4。

圖4 鍛件胎模制坯后溫度分布情況

⑶精密軋制技術。根據數值模擬結果和軋制經驗來制定合理的鍛造參數并設計輔助用的工裝模具，以保證軋制過程鍛件截面溫度、應力、應變分布均勻和軋制過程的穩定性。精密軋制過程的數值模擬如圖5所示。

圖5 鍛件終軋后溫度分布情況

鍛造工藝方案

根據仿真模擬結果和鍛造經驗，機匣鍛件主要工藝路線為：鐓粗、沖孔→馬架擴孔→預軋→胎模制異形坯料→精密軋制。各工序示意圖見圖6(D為鍛件外徑，d為鍛件內徑，H為鍛件高度)。

圖6 Waspaloy合金異形機匣環鍛件工藝方案

⑴第1步：鐓粗、沖孔。鐓粗過程既要保證有足夠的變形量又要控制鍛件表面質量，所以采用高溫大變形的方式，嚴格控制下壓速度和下壓量，避免產生雙鼓。沖孔時保證沖頭對中，避免坯料壁厚不均勻。

⑵第2步：馬架擴孔。馬架擴孔時控制每道次下壓量和鍛件轉動量，保證鍛件變形均勻，避免錘印尖角和裂紋的產生。

⑷ 第3步：預軋。預軋時控制進給速度和變形量，保證鍛件均勻長大。

⑷第4步：胎模制異形坯料。胎模成形時用沖頭對矩形坯料進行掰斜并在模具中使各法蘭完成局部聚料，提前將鍛件體積進行重新分配，獲得符合終軋要求的異形坯料。

⑸第5步：精密軋制。軋制時為保證鍛件組織性能需要有合理的變形量，設定鍛件最終變形量為27%，軋制時控制軋制速度并設計合理的工裝模具保證軋制過程穩定。

試制情況及結果分析

鍛造設備

根據全工序數值模擬的結果，鐓粗沖孔、馬架擴孔和胎模制異形坯料選擇6300t液壓機，精密軋制選擇φ4500mm環軋機。

基本參數

鍛造加熱參數見表2，鍛件熱態照片如圖7所示。

圖7 Waspaloy合金異形機匣環鍛件(熱態)

表2 鍛造加熱參數

結果分析

⑴鍛件成形情況。按照上述工藝方案制造出的Waspaloy合金大錐角多臺階機匣環鍛件，其型面完好，各臺階填充完整，胎模制異形坯過程中鍛件填充完整，滿足體積分布要求，整體精密軋制過程穩定，鍛件與模具完全貼合，軋制尺寸和表面質量滿足設計要。

⑵鍛件理化測試結果。鍛件按材料標準熱處理后按圖8所示位置在本體試環和解剖本體上進行理化測試。鍛件力學性能測試結果見表3，測試數據均滿足驗收標準。鍛件晶粒度見表4，圖9是典型位置的高倍組織照片，可以看出鍛件各個位置組織基本均勻，平均晶粒度為4～5級。

圖8 理化測試取樣位置圖

圖9 鍛件高倍組織

表3 鍛件力學性能數據

表4 鍛件平均晶粒度

結束語

本文對全工序進行數值模擬分析，結合鍛造經驗制定出可靠的工藝方案和工裝，并成功試制滿足交付條件的Waspaloy合金大錐角多臺階機匣環鍛件。該鍛件異形坯料設計合理，鍛件精密軋制過程穩定，鍛件型面與尺寸及組織性能合格。不僅提高了材料利用率，也為高難度機匣制造的工藝水平積累了經驗。