GH4141大錐度噴嘴內支撐環鍛造工藝研究

項春花，王光宇，林凌，張詩揚，顏開群，王攀智

貴州航宇科技發展股份有限公司 貴州貴陽 550081

1 序言

GH4141大錐度噴嘴內支撐環是異形鍛件，其形狀復雜，為非對稱結構，斜度為45°～55°，采用傳統的矩形件鍛造與機械加工方法，雖然鍛造方法簡單，但對材料的利用率大大降低，又因RENE41的價格昂貴而使成本劇增[1]。因此，為提高產品的材料利用率，降低產品的鍛造成本，設計出與該產品輪廓接近的異形鍛件具有重要意義[2]。本文針對這一問題，以前期模擬試驗為基礎，設計出完整的工藝流程，經過多次鍛造后再經機械加工得出成品，并通過對比分析鍛件前后晶粒度來判斷鍛件的性能。

2 鍛件特點

1）GH4141是沉積硬化型鎳基變形高溫合金，在650～950℃溫度內，具有高的拉伸和持久蠕變強度，以及杰出的抗氧化功能。與GH4169相比，G H4141使用溫度范圍更寬，廣泛適用于制造在870℃以下要求有高強度，以及在980℃以下要求抗氧化的航空航天發動機高溫零部件[3]。該鍛件的組織性能要求較高，晶粒度要求3級或更細且要求均勻，主要性能有高溫拉伸、硬度及晶粒度等。

2）該合金變形抗力大，鍛造溫度范圍更窄，若鍛造溫度低，則材料容易出現表面裂紋；若鍛造溫度高，則鍛件的性能和晶粒組織不能滿足要求，流動性較差，給鍛件成形帶來困難。

3）從鍛件形狀看，鍛件大頭外徑為869mm，小頭內徑為484mm，如圖1所示。鍛件最大位置斜度約45°，屬于大錐度形狀，需進行胎模掰形并整形，從鍛件的體積分布看（見圖2），鍛件小頭端料小，大頭端料大，故鍛件在成形過程中需進行大頭端聚料。從鍛件尺寸及中間矩形坯料壁厚考慮，考慮常規掰形方案模具數量多、火次多，且在掰形階段高度容易拉料等問題，結合以前成形方案的經驗，該鍛件在成形過程中使用定制胎膜預成形方法進行預制坯，通過大頭端面局部聚料方法成形。鍛件基礎信息見表1。

表1 鍛件基礎信息

圖1 鍛件規格尺寸

圖2 鍛件體積分布

3 鍛造工藝設計與模擬

根據鍛件形狀，初步設計鍛件生產過程為鐓粗、沖孔、矩形預軋、異形終軋和定制胎膜預成形，并對胎模掰斜聚料進行模擬，如圖3所示。

圖3 胎模成形過程模擬

從模擬情況看，坯料經過預成形工序，過程簡單，火次少，鍛件成形過程貼膜良好，尺寸滿足設計圖樣要求。

4 成形過程

4.1 原材料

鍛件原材料采用撫順特殊鋼股份有限公司提供的Rene41高溫合金，規格為φ250mm，化學成分見表2。交付狀態為鍛造車光，試樣狀態為退火＋固溶＋時效態，具體性能見表3。

表2 原材料化學成分（質量分數）（%）

表3 原材料性能

4.2 工藝流程

1）為保證鍛件的最終晶粒度在3級或更細且晶粒均勻，鍛件的力學性能滿足相應的規范要求，將坯料的制坯加熱溫度定在1080～1120℃，成形溫度定在1000～1065℃，并且在鍛造過程中使用包套的方法，減小溫降，減少鍛造過程中裂紋的產生，為得到均勻的組織和滿足要求的力學性能提供了保障。

2）具體工藝路線：下料→鐓粗、沖孔→預軋、平端面→預軋→預軋→終軋→脹形→鍛檢→高倍檢查→預成形→鍛檢→預成形→鍛檢→預成形→鍛檢→高倍檢查→預成形→鍛檢→成形→鍛檢→高倍檢查→退火＋固溶→高倍檢查→機械加工→理化檢測。

3）按上述工藝方案試制出的鍛件，其外形良好，鍛件各部位均能夠填充模具型腔，鍛件成形形狀如圖4所示。

圖4 鍛件成形形狀

4）分別在軋制完成后與成形后檢測端面晶粒度，與未鍛造前晶粒度相比，鍛件的原始晶粒度為3～6級，軋制完成后存在約60%的4.5～5級晶粒，約40%的9.5～10級細晶，鍛造過程變形較為均勻，晶粒度滿足規范要求，預成形期間，由于主要對大端面進行變形掰斜，因此大端與小端晶粒度存在差異，小端為6～7級，大端為7～8級，存在約30%的9～10級細晶，后續通過熱處理改善使鍛件整體晶粒度均勻。

5）熱處理制度如下。

退火：（1079±14）℃×（30～35）min，風冷。

固溶：（1066±14）℃×（30～35）min，風冷。

6）將成形后鍛件轉機械加工去除毛邊后，劃線檢測鍛件尺寸，具體劃線檢測要求如圖5所示，統計結果見表4。

表4 確認位置直徑（mm）

從表4可看出，與名義尺寸相比，內徑與外徑整體在名義尺寸附近偏離0～3mm，在公差范圍內，滿足工藝要求。

4.3 組織、性能分析

經機械加工后做全截面晶粒度檢測，圖6所示為大頭端與小頭端的顯微組織。從圖6可看出，大頭端晶粒度在6.5～7級，小頭端平均晶粒度在6～7級，且存在個別粗晶，約4級，原因是在鍛造過程中，小頭端變形量小，導致個別晶粒長大。但大小頭晶粒度差距不大，晶粒度均勻，且滿足規范要求。與未熱處理之前相比，細晶消除，整體晶粒度均勻，力學性能得到大幅改善。

5 結束語

1）從模擬情況看，坯料經過預成形工序，過程簡單，鍛件成形過程貼膜良好，尺寸滿足設計圖樣要求。

2）經過多次鍛造成形后，劃線檢測內外徑尺寸，大頭端出現內徑多肉、外徑偏小的情況，但鍛件尺寸滿足公差要求。

3）鍛件前后晶粒度變化明顯，軋制完成后晶粒度整體較為均勻且明顯細化，約60%的4.5～5級晶粒，約40%的9.5～10級細晶，力學性能因此大大提高，成形后晶粒度大頭端與小頭端相比，大頭端更細，熱處理后得以改善。

4）經機械加工后進行全截面晶粒度檢測，結果整個截面晶粒度均勻，達到6.5～7級，滿足規范要求。