某航空發動機用GH4065A合金低壓渦輪盤鍛件研制

羅 陽，張文云，陳麗芳，張北江

（1.西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326；2.北京鋼研高納科技股份有限公司，北京 100081；3.鋼鐵研究總院有限公司高溫材料研究所，北京 100081）

0 前言

渦輪盤是航空發動機最重要的熱端部件之一，如圖1所示。其服役環境極為苛刻，新一代航空發動機用渦輪盤的工作溫度已超過700℃，為此，我國近年開始研制750℃級鎳基高溫合金渦輪盤材料GH4065A合金。該合金成分既含有高含量的固溶元素W、Mo，又含有較高含量沉淀強化元素Ti、Al、Nb（鋁、鈦、鈮含量之和達到6.5%），強化相γ′含量達到42%[1]。高合金化程度雖然可明顯改善合金的性能，但也給合金熱變形和組織性能調控帶來了極大難度。

圖1 航空發動機結構示意圖

近年來，國內外對GH4065A制備技術、組織和性能調控等方面進行了諸多研究，但對其鍛造成形研究鮮有報道。本文以新一代先進渦扇航空發動機用低壓渦輪盤為研究對象，采用鑄-鍛工藝生產750℃級變形高溫合金低壓渦輪盤，結合數值模擬的方法，確定了最佳的成形工藝方案，并進行了生產試制，得到晶粒度及力學性能符合要求的鍛件，滿足了先進航空發動機的型號發展需求。

1 鍛造成形工藝方案分析

1.1 鍛件信息

本文選取典型低壓渦輪盤鍛件作為研究對象。鍛件的最大外形尺寸為?1 180 mm×?880 mm×130 mm，重量為548 kg，材質為GH4065A。從該渦輪盤鍛件的形狀尺寸，判斷其屬于大型矩形截面環鍛件，如圖2所示。

圖2 低壓渦輪盤鍛件簡圖

1.2 鍛件的組織和性能要求分析

GH4065A屬于高合金化難變形高溫合金，突出表現為熱塑性差，熱加工窗口范圍小，變形抗力高，組織控制困難。該鍛件的晶粒度要求細小，性能要求高。而在整個制造流程中材料要經過多次加熱和變形，在反復加熱和變形過程中組織受到熱-力的耦合作用會發生一系列變化，從而可能會引起混晶等組織問題，這成為鍛件制備過程中的組織控制難點。GH4065A合金的使用性能與晶粒大小及均勻性關系密切，晶粒細化有助于提高合金強度及疲勞性能。相反，粗大且不均勻的晶粒會使合金的疲勞和持久性能明顯降低，并且使缺口持久性能更加敏感[2]。為了獲得最佳的使用性能，主要靠嚴格控制鍛造工藝來達到要求。為此必須精確控制鍛造溫度、變形速度，合理分配各階段變形量，從而使鍛件獲得均勻的晶粒組織。鍛造過程需對坯料進行軟包套，保證坯料能有較高的始鍛溫度，嚴格保證模具使用溫度，嚴格控制坯料在鍛造過程中的轉移時間及終鍛溫度。

其次，高質量的原材料棒坯也是制備優質盤件的前提。原材料棒坯晶粒度也應進行控制，若棒坯存在粗晶或鑄態組織殘留，很難在后續熱成形過程中被徹底清除。盤件的制備需用到?350 mm大規格細晶棒材，具體路線為：通過三聯熔鑄工藝制備大尺寸自耗重熔錠，經多段均勻化處理后將鋼錠在快鍛機上實現鍛造開坯，充分破碎鑄態組織，然后經反復鐓拔工藝制備出細晶棒材[3]。棒材通過制坯+模鍛工序完成盤件的制備，最后通過熱處理對組織和性能進行調控。

1.3 鍛件成形方案分析

針對此類環形鍛件，成形工藝可采用鐓粗+沖孔+環軋（擴環）或鐓餅+模鍛方式。環軋方式尺寸精度高、機械加工余量小且材料利用率高，軋制過程變形均勻，坯料表面溫度不會降低，更有利于獲得晶粒度均勻的組織。相比軋環，采用自由鍛擴孔成形的鍛件的表面質量差，錘擊次數多，持續時間長，若鍛造過程溫度控制不當極易造成混晶組織。而鐓餅+模鍛方式消耗金屬量過大，目前還不具備制備更大規格棒材的能力，且存在模鍛過程成形載荷大、坯料環向無變形等問題。故為了降低投料量，節約成本，降低模鍛成形載荷，同時滿足該鍛件高性能要求，我們最終決定采用鐓粗+沖孔+軋環+模鍛的復合成形方式，環坯尺寸要給模鍛留有足夠大的變形程度。通過制坯+環軋+模鍛方式達到組織和性能調控，降低了材料組織性能的各項異性，達到晶粒細化的目的。

通過以上分析，擬定GH4065A合金低壓渦輪盤鍛造工藝路線為：下料→加熱→鐓粗→加熱→沖孔→機加→加熱→環軋→機加→加熱→模鍛。

2 數值模擬分析

鍛造工藝路線制定后，采用DEFORM軟件對模鍛成形工序進行模擬分析，分析變形溫度、變形速度、環坯尺寸對最終鍛件成形效果、應變場及溫度場分布的影響，驗證工藝參數的可行性。模鍛成形過程如圖3所示，模擬結果如圖4所示。

圖3 模鍛成形過程

圖4 模鍛結束后坯料的溫度、應變分布以及成形載荷分析

模擬結果表明：模鍛完成后，鍛件整體溫度范圍在920～1 110℃。與模具接觸的鍛件，由于熱交換而損失熱量，其表面溫度較低，約為920～1 050℃；鍛件內部最高溫度為1 110℃，滿足GH4065A合金對鍛造溫度的要求；鍛件內部所有區域等效應變均介于0.036～1.91間，探傷尺寸范圍應變分布較均勻，變形充分；模鍛成形過程未見異常，當欠壓為80 mm時，模具型腔剛好充滿，產生的飛邊分布均勻。模鍛成形載荷在成形過程的開始階段，載荷變化均很緩慢；到了終了階段，隨著模具的繼續下壓，載荷越來越大，并且在最后階段載荷迅速上升達到最大值。終鍛的成形過程中，達到的最大成形載荷為13 400 t，在設備承荷能力范圍內。

通過數值模擬驗證了工藝參數的可行性，為試制生產提供了理論依據。

3 成形模具設計

考慮到模具體積較大，制作成本高，將模具設計為模芯與模套的裝配形式，以達到降低模具成本的目的。針對難變形高溫合金，為了降低平均單位壓力，減小模鍛壓力，我們將模具型腔深度進行了預薄，降低高度方向尺寸；同時將模芯設計成無飛邊槽結構，分模面代替毛邊槽，多余的金屬流入分模面，將來自毛邊槽的阻力大大降低，從而降低了平均單位壓力，所以模鍛壓力也就變小。下模底部采用雙凸臺結構，一方面可以減少坯料與下模底部的接觸面積，避免由于接觸時間太長從而使得鍛件溫度下降太快而影響鍛件質量；另一方面可以增加鍛件變形量，起到減小鍛件定位部位死區的作用。模具簡圖如圖5所示。

圖5 模具簡圖

4 生產驗證

按照既定的工藝方案及試制大綱進行試制生產，采用100 MN自由鍛壓機進行鐓餅、沖孔，坯料經過環軋后，采用300 MN模鍛壓機進行模鍛。試制過程順利，生產過程實物如圖6所示，軋制環坯表面質量良好，終鍛完成后鍛件成形良好，毛邊均勻，形狀和尺寸完全滿足設計要求。

圖6 生產過程實物

5 試驗結果

根據生產試制情況，對鍛件粗加工后進行熱處理，選擇如圖7中與零件相對應位置作為典型部位，對鍛件進行全解剖取樣。

圖7 低壓渦輪盤鍛件解剖取樣圖

檢測結果如下：

（1）鍛件低倍組織：無肉眼可見的縮孔、疏松、裂紋、夾雜和偏析等冶金缺陷。

（2）鍛件高倍組織：按圖7（b）所示分別對輪轂、輪緣、輻板位置進行徑、軸向高倍觀察，不同部位組織形貌如圖8所示。從圖中可知，鍛件不同部位的組織均呈現典型γ+γ′雙相細晶組織，不同區域晶粒度均達到10級，極差在0.5級，晶粒尺寸在10 μm左右，晶界上分布有大量的1～2 μm大尺寸γ′相，無明顯的條帶和混晶組織。各典型部位的組織說明鍛件變形量充分，得到了均勻性較好、較為理想的鍛件組織。更為重要的是，均勻、細化的晶粒能夠大大改善超聲波穿透性，提高鍛件無損探傷通過率。

圖8 鍛件各部位的顯微組織

（3）力學性能：按圖7（a）所示分別對輪轂、輪緣、輻板位置進行400℃及650℃高溫拉伸測試，鍛件力學性能檢測統計結果如圖9所示。統計結果表明，鍛件的各項數據均能滿足技術要求，整體性能波動較小，400℃抗拉強度超過1 500 MPa，各部位一致性較高；650℃抗拉強度超過1 400 MPa，其中輻板A和輻板C位置比其他部位低30 MPa左右，這主要是因熱處理冷卻過程各部位冷卻差異導致的。性能波動在可接受的范圍內。

圖9 解剖件不同部位拉伸性能

（4）探傷：對解剖件采用水浸超聲掃描的方式進行無損檢測。檢測結果滿足AAA級探傷要求，噪聲當量在0.15左右，探傷通過性好，無超標缺陷，組織均勻性好，無明顯的粗晶組織。另外，底損一致性好，未發現明顯缺陷。

6 結論

通過對GH4065A低壓渦輪盤鍛件成形工藝進行分析和仿真模擬，確定了其生產工藝并進行了試制。鍛件理化檢測結果表明，所制定的鍛造成形工藝方案可行，能夠生產出探傷合格、滿足力學性能和金相組織要求的鍛件，為今后生產同類型鍛件積累了技術和生產經驗。