GH4698 高溫合金“U”形模鍛件的鍛造成形工藝研究

文/曹玉如，操貽高，史占奎，馮曉花，李亙·西安三角防務股份有限公司

本文從GH4698 高溫合金棒材復驗情況、鍛件設計、成形工藝參數控制、數值模擬、試制生產等方面，研究了GH4698高溫合金“U”形模鍛件成形的工藝路線，并對組織和力學性能進行了檢測。結果表明，采用“U”形模鍛件設計，大斜度沖頭，成形時控制等效應變在0.6 以上，是同類型GH4698 高溫合金模鍛件獲得組織均勻、力學性能達標的重要因素。

GH4698 高溫合金是以γ'相為強化相的鎳基高溫合金，主要強化元素為鋁、鈦、鉬、鈮等。該材料具有良好的高溫綜合性能，使用溫度為750℃～800℃，在此溫度范圍內可長期穩定工作，不被氧化，因此被廣泛用于航空發動機渦輪盤、燃氣輪機渦輪盤、盤軸連接等關鍵部位，可承受復雜載荷、高溫、高轉速等惡劣環境。在生產實踐中，由于GH4698 合金化程度高，變形抗力大，鍛造溫度區間窄，發生完全動態再結晶的條件苛刻，使得大型模鍛件的加工成形更加困難，同時存在鍛件易開裂，組織性能不穩定的問題，尤其是高溫持久和沖擊性能指標，經常難以滿足指標要求。

為解決該問題，本文從GH4698 高溫合金棒材復驗情況、鍛件設計、成形工藝參數控制、數值模擬成形、試制生產等方面進行了分析研究，以期獲得一種生產質量穩定、組織性能、表面質量良好的模鍛成形工藝。

試驗材料及方法

原材料復驗情況

⑴試驗用材料采用棒材規格為φ300mm，熔煉方法為真空感應+真空自耗。化學成分詳見表1，低倍組織如圖1 所示，低倍組織無肉眼可見的縮孔痕跡、空洞、裂紋、分層、夾渣、夾雜物、偏析、殘余鑄態組織；純潔度符合標準GB/T 14999.6-2010 規定的B 類評級圖的2 級。合格。

表1 GH4698 化學成分(質量分數，%)

圖1 熔檢試樣低倍

⑵晶粒度為3 級，具體見圖2，力學性能見表2、表3、表4，經檢測，原材料力學性能均合格，符合標準要求。

表2 室溫性能數據

表3 高溫拉伸性能數據

表4 高溫持久性能數據

圖2 熔檢試樣高倍

⑶探傷：該棒材經超聲波檢測，未發現超標反射信號，φ3.2mm 平底孔。

鍛件設計及數值模擬

⑴鍛件設計方案成本對比分析。

針對粗加工交付件外形輪廓，結合材料GH4698 的特性，以及400MN 液壓機的設備能力，本文設計了兩種模鍛件外形方案。其二維截面示意圖如圖3、圖4 所示( 其中紅色部分為粗加工交付件二維截面圖)。

圖3 "H"形模鍛件截面

圖4 "U"形模鍛件截面

圖3 中“H”形模鍛件所用原材料的重量為360kg，圖4 中“U”形模鍛件所用原材料的重量為340kg，故從成本方面看，采用圖4 中“U”形模鍛件設計方案更加合理。

⑵DEFORM 數值模擬成形對比分析。

鍛件流線走向如圖5、圖6 所示。從圖5 中可以看出，在上模向下移動的過程中，金屬材料向上下模型腔填充，在分流過程中呈現出“漩渦”狀。從圖6可以看出，在上模沖頭向下移動過程中，金屬材料的流動方向相對較為單一，即隨著毛邊方向流動，流線比較順暢。由此可以看出圖6 采用的“U”形模鍛件的流線較為理想。

圖5 "H"形模鍛件流線

圖6 "U"形模鍛件流線

載荷預測如圖7、圖8 所示。從圖7 中可以看出，“H”形模鍛件模擬預測的壓力載荷為230MN；從圖8 中可以看出，“U”形模鍛件模擬預測的壓力載荷為247MN；兩種模鍛件設備所需提供的壓力載荷基本相差不多，且均在400MN 液壓機的壓力能力范圍內。因此，從預測壓力載荷角度看，兩種模鍛件均可以采用，均可在400MN 液壓機上進行鍛造。

圖8 "U"形模鍛件載荷模擬預測

溫度場分布如圖9、圖10 所示。從圖9、圖10中可以看出，“H”形模鍛件和“U”形模鍛件模鍛完成后溫度場較均勻，溫度范圍1000℃～1120℃。兩種模鍛件均可以進行生產試制。

圖9 "H"形模鍛件溫度場

圖10 "U"形模鍛件溫度場

應變場分布如圖11、圖12 所示。從圖11 中可以看出，“H”形模鍛件完成模鍛后，粗加工交付件區域的等效應變范圍集中在0.375 ～1。而從圖12可以看出“U”形模鍛件完成模鍛后，粗加工交付件區域的等效應變范圍集中在0.625 ～1，且大部分較均勻。故從應變場分布的情況看，“U”形模鍛件等效應變較好，分布較均勻，相對理想。

圖11 "H"形模鍛件應變場

圖12 "U"形模鍛件應變場

綜合來看，“U”形模鍛件適合進行試制生產。

沖頭外形設計對比分析

在確認采用“U”形模鍛件外形后，需選擇合適的沖頭外形。這是由于在生產過程中，鍛件完成模鍛后，冷卻時發生收縮，存在鍛件將沖頭包裹，以致于鍛件無法脫模的風險較大。從圖13、圖14 中可以看出，A沖頭外圓面為球形，B沖頭則是大角度拔模斜度，A 沖頭在鍛件出模時產生的阻力大于B 沖頭的阻力。故B沖頭被鍛件包裹、鍛件無法脫模的風險大大降低，宜選用B 沖頭進行試制生產。

圖13 A 沖頭

圖14 B 沖頭

試制工藝參數

鍛造設備：400MN液壓機；鍛件坯料噴涂潤滑劑，并包裹高溫棉，在1120℃下保溫加熱；出爐轉移時間不大于45s；鍛壓速度為5mm/s；終鍛溫度不小于1000℃。

理化檢測結果及分析

對“U”形模鍛件按照相關標準進行3 階段熱處理制度：1120℃×8h，空冷；1000℃×4h，空冷；700℃×16h，空冷。隨后進行組織、性能測試。

⑴低倍：“U”形模鍛件低倍無肉眼可見的縮孔痕跡、裂紋、分層、夾渣、夾雜物、偏析、殘余鑄態組織，低倍晶粒尺寸不大于1.5mm。合格。

⑵力學性能：對鍛件進行熱處理后的力學性能數據見表5、表6、表7。

表5 室溫性能數據

表6 高溫拉伸性能數據

表7 高溫持久性能數據

經檢測，“U”形模鍛件力學性能均合格，符合標準要求。

⑶探傷。

熱處理前探傷：φ1.2mm平底孔，底波損失-6dB。

熱處理后探傷：φ1.2mm 平底孔，無缺陷顯示。

“U”形模鍛件探傷合格。

結果分析

通過前期DEFORM 數值模擬，設計了合理的鍛件外形，確保了鍛件的流線和成形。合理分配變形量，各個部位等效應變控制在0.6 ～1，有利于鍛件的組織均勻、性能符合指標要求。

通過觀察低倍組織，基本均勻一致，說明各個部位的變形量基本一致。

通過設計合理的沖頭外形，不僅保證了鍛件的順利出模，也保證了生產的順利進行。

結束語

利用DEFORM數值模擬對鍛件外形設計的合理性進行了評估分析，通過流線及成形控制對比，優化了鍛件設計，指導并確定了試驗件成形的工藝參數。通過設計合理的沖頭外形，不僅保證了鍛件的順利出模，同時有效保證了鍛件的組織和力學性能，尤其是沖擊和高溫持久性能指標達到產品標準要求，對今后生產相似產品有重要意義。