鍛造參數(shù)對GH4169 葉片成形及組織的影響

文/姚彥軍，葉寧·陜西宏遠航空鍛造有限責任公司

葉片在航空發(fā)動機及燃氣輪機中起能量轉換的關鍵作用，葉片鍛造技術的發(fā)展由普通模鍛向半精鍛(小余量)直至精鍛(等溫鍛、葉身無余量鍛造)等近凈成形方向發(fā)展。隨著“兩機”專項及“十四五”規(guī)劃的實施，航空發(fā)動機及燃氣輪機的發(fā)展面臨井噴發(fā)展的歷史性機遇，而葉片在航空發(fā)動機及燃氣輪機結構中因面臨工況惡劣及批量較大等因素，葉片鍛件的生產(chǎn)進度及交付質量面臨著很大的難題。國外商用發(fā)動機已經(jīng)開始大量采用精鍛工藝生產(chǎn)葉片，國內(nèi)具備成熟批量生產(chǎn)航空發(fā)動機及燃氣輪機葉片鍛件的廠家為數(shù)不多，國內(nèi)鍛造企業(yè)在傳統(tǒng)葉片鍛件生產(chǎn)工藝方面多數(shù)采用電液錘、空氣錘進行制坯和模鍛，不僅難以保證葉片鍛件質量穩(wěn)定性，而且極大地增加了貴重難變形合金材料的浪費。

針對GH4169 合金航空發(fā)動機及燃氣輪機葉片鍛件不同鍛造工藝參數(shù)對其組織、性能及質量的影響，國內(nèi)文獻對該合金材料模擬有所報道，但對該合金葉片鍛造實際應用研究偏少。與常規(guī)鍛造相比，精鍛工藝不僅能夠有效減少貴重材料消耗浪費，同時可顯著改善該合金葉片組織均勻性，與傳統(tǒng)自由鍛造相比，可明顯提升GH4169 合金葉片批量生產(chǎn)質量穩(wěn)定性。

本文以GH4169 合金葉片為研究對象，研究了不同鍛造工藝及參數(shù)對GH4169 合金葉片鍛件成形質量及組織均勻性的影響。為GH4169 合金航空發(fā)動機及燃氣輪機葉片鍛件生產(chǎn)提供技術保障。

試驗方法及過程

原材料

原材料采用真空自耗電弧爐熔煉+電渣重熔兩聯(lián)工藝的規(guī)格為φ30mm 的GH4169 棒材，在棒材頭部取試樣分析化學成分，結果見表1，在棒材頭部橫截面取試樣進行高低倍分析，高低倍組織見圖1，晶粒度為8 級。將棒材切為4 段相同的長度，分別標記為1#、2#、3#、4#。

圖1 棒材橫向高低倍

表1 原材料化學成分/ wt%

鍛造

使用2t 自由鍛錘和1000t 電動螺旋壓力機分別按不同工藝進行鍛造。下料完成后，分別采用自由鍛制坯+模鍛工藝、(擠壓+鐓頭+預鍛)制坯+模鍛工藝進行試制，具體為：

1#：1020℃×60min，2t 自由鍛錘制坯+終模鍛，均AC；

2#：1020 ℃×60min，1000t 電 動 螺旋壓力機擠壓+鐓頭+預鍛1 火(欠壓2mm)+終模鍛，均AC；

3#：1020℃×60min，1000t 電動螺旋壓力機擠壓+鐓頭+預鍛2 火(1 火欠壓6mm,2 火欠壓3mm)+終模鍛，均AC；

4#：1020 ℃×60min，1000t 電 動 螺旋壓力機擠壓+鐓頭+預鍛3 火(1 火欠壓7mm,2 火欠壓3mm，3 火欠壓1mm)+終模鍛，均AC。

熱處理

對經(jīng)過不同鍛造工藝處理的4 個試樣進行相同溫度熱處理，熱處理制度為，固溶(960±10)℃，保溫時間(60±6)min，氬氣風機冷卻(HS)至50℃以下出爐。

理化測試

對經(jīng)過相同熱處理工藝處理的5 個試樣分別進行高低倍測試，取樣圖見圖2。 對1#試樣采用丙酮超聲清洗去除表面污染物后采用日本Keyence VHX-600型超景深體式顯微鏡觀察宏觀形貌，利用荷蘭Philips XL-30W/TMP 型掃描電鏡觀察組織形貌、斷口微觀形貌。

圖2 理化取樣圖

試驗結果及討論

1#試樣裂紋組織及分析

圖3 為1#試樣在1020 ℃自由鍛錘制坯保溫60min+1020℃保溫60min 終模鍛造工序+熱處理+機械加工后，試樣葉身葉尖部位的宏觀照片。從圖3中a、b 可以看出，1#試樣采用2t 自由鍛制坯+終模鍛后葉身偏葉尖部位縱表面橫向出現(xiàn)長條裂紋，裂紋位于圖3a 紅色圓圈內(nèi)，裂紋總長約14mm，裂紋距葉尖高度約34mm，距1#試樣葉片左排氣邊約12mm。對1#試樣葉片沿裂紋長度中間方向橫截面截斷，圖3b 為截斷葉身橫截面宏觀圖片，1#葉片試樣采用丙酮超聲清洗去除表面污染物利用荷蘭Philips XL-30W/TMP 型掃描電鏡觀察試樣斷口形貌和組織形態(tài)，見圖4、圖5。

圖3 1#試樣宏觀圖片

圖5 葉片缺陷橫向顯微組織形貌

圖4 為1#葉片試樣葉身葉尖橫斷面斷口組織。從圖4a 可以看出，試樣裂紋處斷口較為平整、潔凈，無明顯韌窩。低倍觀察下試樣斷口表面出現(xiàn)方向性條紋，見圖4b 方框示意。圖4c、d 為高倍放大組織，從圖可以看出，在斷口條紋上出現(xiàn)了氧化薄花瓣狀和氧化層組織。從宏觀形貌可見，1#葉片裂紋處斷口呈現(xiàn)氧化黑色或者淺褐色特征，說明1#試樣裂紋形成后經(jīng)歷了高溫加熱過程，又根據(jù)試樣裂紋斷口表面出現(xiàn)的一定方向的條紋可以看出它是接觸摩擦形成的磨痕，即裂紋是在剪切應力作用下形成的。

圖4 葉片缺陷斷口微觀形貌

圖5 為1#試樣在1020 ℃自由鍛錘制坯保溫60min+1020℃保溫60min 終模鍛造工序+熱處理+機械加工后，試樣葉身葉尖部位的橫截面低倍及掃描照片。從圖中可以看出，1#試樣采用2t 自由鍛錘制坯+終模鍛后葉尖橫截面橫向低倍出現(xiàn)45°貫穿裂紋，試樣的高倍晶粒度級差明顯，特別是裂紋附近晶粒度呈現(xiàn)階梯式分布特征，裂紋附近晶粒度超過10 級，遠離裂紋組織晶粒度約5 ～6 級，同時出現(xiàn)拉長亞晶組織。δ 相沿晶界連續(xù)分布，呈顆粒或短棒狀。

從δ 相分布特征可以看出，1#試樣終鍛溫度在合理區(qū)間。從裂紋呈現(xiàn)45°角度特征，可以猜測1#試樣出現(xiàn)類似剪切裂紋，另外，裂紋附近晶粒度差異較大，裂紋附近晶粒度超過10 級，可以猜測1#試樣的裂紋出現(xiàn)在大變形條件下的類似絕熱剪切帶特征。

圖6 為在1020℃不同鍛造工藝下，經(jīng)過相同保溫時間，1#～4#試樣葉身葉尖部位的橫向低倍組織。從圖中可以看出，1#試樣采用2t 自由鍛制坯+終模鍛后葉尖橫截面橫向低倍出現(xiàn)兩條貫穿裂紋；2#試樣采用電動螺旋壓力機擠壓+鐓頭+預鍛1 火(欠壓2mm)+終模鍛后的葉尖橫截面橫向低倍靠近葉身中間出現(xiàn)一條亮線；3#試樣為電動螺旋壓力機擠壓+鐓頭+預鍛2 火(1 火欠壓6mm，2 火欠壓3mm)+終模鍛葉尖橫截面橫向低倍；4#試樣為電動螺旋壓力機擠壓+鐓頭+預鍛3 火(1 火欠壓7mm，2 火欠壓3mm，3 火欠壓1mm)+終模鍛葉尖橫截面橫向低倍。可以看出，采用自由鍛制坯的1#試樣低倍出現(xiàn)明顯貫穿裂紋，而采用電動螺旋壓力機制坯的2#、3#、4#試樣低倍均未出現(xiàn)貫穿裂紋。比較2#、3#、4#試樣低倍形貌，隨著預鍛火次的增加及預鍛每火次變形量的減小，葉尖橫向低倍45°斜面亮線特征消失。

圖6 葉尖橫向低倍

高倍組織

圖7 為1#試樣葉身不同高度橫截面高倍組織。從圖中可以看出，隨著1#試樣取樣不同高度的變化及葉身變形量的變化，高倍晶粒度呈現(xiàn)明顯的差異。葉尖部位變形量超過85%，葉尖晶粒度超過10 級，且出現(xiàn)貫穿裂紋。1/2 葉身晶粒度呈現(xiàn)拉長亞晶特征，晶粒取向方向性明顯。3/4 葉身橫截面變形量接近40%～50%，晶粒度約7 ～8 級。可以看出隨著葉身變形量及取樣部位的變化，葉身橫截面高倍組織均勻性比較差，晶粒度級差超過2 級。

圖7 1#試樣葉身不同部位橫向高倍

圖8 為2#試樣葉身不同高度橫截面高倍組織。從圖中可以看出，隨著2#試樣取樣不同高度的變化及葉身變形量的變化，高倍晶粒度差異減少。結合圖6 中2#葉尖部位低倍及葉尖橫截面高倍，可以看出，葉尖橫截面低倍處亮線經(jīng)高倍觀察后，亮線處晶粒度小于正常區(qū)，且方向與低倍亮線一致。1/2 葉身及3/4 葉身橫截面高倍組織晶粒度比較接近，但葉尖、1/2 葉身、3/4 葉身橫截面高倍δ 相數(shù)量均明顯減少。

圖8 2#試樣葉身不同部位橫向高倍

圖9 為3#試樣葉身不同高度橫截面高倍組織。葉尖橫截面高倍出現(xiàn)倒Y 形細晶聚集區(qū)，葉尖晶粒度超過10 級。1/2、3/4 葉身橫截面高倍晶粒度級差超過2 級，且動態(tài)再結晶比例小。

圖9 3#試樣葉身不同部位橫向高倍

圖10 為4#試樣葉身不同高度橫截面高倍組織。從圖中可以看出，隨著4#試樣取樣不同高度的變化及葉身變形量的變化，高倍晶粒度差異減小。葉尖、1/2 葉身、3/4 葉身橫截面高倍晶粒度均為7 ～8 級。比較圖10 與前述圖7、圖8、圖9，可以看出4#試樣高倍均勻性最好，且動態(tài)再結晶份數(shù)最高，同時含有少量沿晶界分布δ 相。

圖10 4#試樣葉身不同部位橫向高倍

結論

⑴GH4169 合金渦輪葉片采用自由鍛錘制坯+終模鍛工藝易導致葉片出現(xiàn)鍛造裂紋。

⑵GH4169 合金渦輪葉片晶粒度均勻性與鍛造火次及變形量有關，隨著鍛造火次和變形量的合理分配，可以得到組織均勻的微觀組織。

⑶采用1020℃×60min，1000t 電動螺旋壓力機擠壓+鐓頭+預鍛3 火(1 火欠壓7mm，2 火欠壓3mm，3 火欠壓1mm)+終模鍛工藝參數(shù)生產(chǎn)的葉片為最佳工藝方案，可以實現(xiàn)GH4169 渦輪葉片鍛件晶粒度級差兩級以內(nèi)的指標。