文／張凱鋒，高鵬·哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

Inconel718高溫合金厚板熱彎曲的質(zhì)量控制

文／張凱鋒，高鵬·哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

高溫合金具有高溫強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。高溫合金厚板零件除了具備合金材料本身的優(yōu)點(diǎn)外，還因其自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)而具有剛度高、耐磨損等優(yōu)勢，因而越來越受到航空、航天及能源等領(lǐng)域的重視?？紤]到材料本身價(jià)格較高，在高溫合金零件的制造環(huán)節(jié)中，在完善成形工藝、提高生產(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)，提高成品率成為了業(yè)界越來越重視的問題。Inconel718合金的使用歷史較長，產(chǎn)量居變形高溫合金之首，是最具代表性的高溫合金。本文以Inconel718厚板彎曲件為例，結(jié)合成形試驗(yàn)，分析與探討高溫合金厚板彎曲的工藝問題及質(zhì)量控制方法。

零件及成形工藝

如圖1所示是Inconel718厚板坯料及彎曲件，厚板坯料經(jīng)90°角的U形彎曲后得到零件。板材坯料尺寸為700mm×350mm，零件的U形彎曲段外表面的曲率半徑由R30漸變?yōu)镽90。此彎曲件具有變化的截面形狀，與截面固定的彎曲零件相比，成形難度增加。但在實(shí)際生產(chǎn)中，固定截面的彎曲件數(shù)量較少，多數(shù)彎曲件的形狀比較復(fù)雜，故而更具有參考價(jià)值。

圖1 Inconel718厚板坯料與彎曲件

厚板零件的成形，由于變形載荷大，內(nèi)外表面應(yīng)力梯度大，冷成形困難，通常采用高溫成形。對于高溫成形方式的選擇，一般來說有等溫成形和熱模具成形兩種。例如對于Inconel718合金，等溫成形的模具材料要采用K403鎳基鑄造高溫合金，其加工方式基本上只能采用電加工，材料及制造成本大大高于后者。當(dāng)成形零件的批量較大時(shí)，可以考慮采用這種模具材料。但對于高溫合金零件來說，在零件的生產(chǎn)批量較小時(shí)，應(yīng)考慮模具材料的成本。熱模具成形的模具材料選用熱作模具鋼即可，常規(guī)的加工方式便可滿足其制造要求。成形工藝采用帶壓料的U形彎曲，工藝過程如圖2所示。模具材料選用熱作模具鋼H13，操作方式具體為：坯料放入加熱爐中加熱至成形溫度，同時(shí)將模具工作表面噴烤至工作溫度后，坯料出爐進(jìn)行熱彎曲。

圖2 厚板U形彎曲過程

主要工藝問題

成形精度

與薄板相比，厚板材料剛度高，變形抗力大，成形困難，這給提高零件的成形精度帶來了難度。同時(shí)，與冷成形相比，材料在高溫成形過程中需經(jīng)歷加熱和冷卻過程，熱脹冷縮作用給成形零件的尺寸帶來了不確定性。而在熱模具成形工藝中，又增加了模具材料加熱的環(huán)節(jié)，這又加入了一個(gè)尺寸的變量，進(jìn)而增加了尺寸精度控制的難度。除此之外，還要考慮變形工藝的自身特點(diǎn)。對于厚板U形彎曲來講，成形的理想狀態(tài)是板材完全貼附于凸模。模具的凸凹模間隙、坯料與模具表面間的摩擦條件決定了坯料的貼模情況，從而對成形精度具有重要影響。

表面質(zhì)量

成形件的表面質(zhì)量是產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，也是評價(jià)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的重要指標(biāo)。板材的彎曲過程伴有板材坯料與模具間的相互滑動，其產(chǎn)生的摩擦作用是造成零件表面損傷的隱患。對于薄板來說，彎曲時(shí)板材的變形抗力小，利用潤滑劑來預(yù)防表面損傷可以達(dá)到良好的效果。但對于厚板材料的彎曲而言，由于變形抗力大，厚板彎曲時(shí)板材與模具之間的壓力較高，摩擦力隨之升高，表面損傷更容易產(chǎn)生。

材料組織

高溫合金組成元素眾多，顯微組織演變較為復(fù)雜。高溫成形過程中，高溫合金通常伴有晶粒長大、原組織相的溶解及新相析出等現(xiàn)象。晶粒尺寸、析出相的形貌不僅對成形后零件力學(xué)性能起決定作用，而且影響著高溫合金的成形性能。例如，晶粒細(xì)化可以有效地提高成形零件的強(qiáng)度，但它會提高成形過程中的變形抗力，給成形增加難度。而晶粒尺寸較大時(shí)，成形零件的強(qiáng)度會有所降低，但它卻降低了高溫成形的難度。

圖3 Inconel718合金原始板材與加熱板材的組織

相比普通鋼材，高溫合金的高溫成形溫度區(qū)間較窄。以Inconel718為例，其成形溫度為950～1120℃，區(qū)間寬度僅為170℃。而且，Inconel718合金在加熱過程中的顯微組織變化明顯。如圖3所示，原始Inconel718厚板顯微組織中晶粒大小均勻，尺寸約為20～30μm。與之相比，經(jīng)950℃加熱后的組織晶粒變化不明顯，僅有少數(shù)晶粒發(fā)生了程度較小的長大；而在1038℃加熱的板材顯微組織中，長大的晶粒數(shù)量明顯增多，平均尺寸約為50μm；當(dāng)板材經(jīng)1100℃加熱后，晶粒明顯長大至100μm左右。

圖4 Inconel718合金中的δ相

這種現(xiàn)象是由高溫合金本身的組織特點(diǎn)決定的。Inconel718合金中存在一種析出相δ相，如圖4所示是該相的SEM（掃描電子顯微鏡）和TEM（透射電子顯微鏡）圖像。它優(yōu)先存在于晶界處，起著釘扎晶界、控制晶粒尺寸的作用。當(dāng)合金的加熱溫度超過950℃時(shí)，該相開始溶解。當(dāng)加熱溫度超過1038℃后，該相完全溶解，晶界解除了束縛，從而晶粒迅速長大。

因而，高溫合金的顯微組織很大程度上由坯料的加熱溫度來決定，對成形溫度的控制便成為了對高溫合金組織控制的關(guān)鍵。就溫度本身而言，環(huán)境溫度及熱模具溫度與坯料的加熱溫度相比要低很多，這就使得加熱后的厚板坯料從加熱設(shè)備中取出并成形時(shí)，容易出現(xiàn)明顯的降溫。這不僅給溫度的準(zhǔn)確控制帶來了問題，而且會提高材料的變形抗力，增加變形難度。

質(zhì)量控制手段

必要的質(zhì)量控制手段有助于提高生產(chǎn)質(zhì)量，針對上述幾種工藝問題，下面介紹幾種實(shí)用的方法。

模具尺寸補(bǔ)償

熱模具成形時(shí)，坯料的成形溫度與模具的工作溫度存在差異，同時(shí)，由于兩者的材料不同，各自加熱時(shí)的線膨脹系數(shù)不同，成形模具的尺寸與成形件的尺寸也存在差異。為了消除這種差異，在熱模具成形的模具尺寸設(shè)計(jì)過程中，需要考慮材料尺寸的熱補(bǔ)償。其標(biāo)準(zhǔn)是成形件設(shè)計(jì)尺寸為室溫尺寸，在成形溫度時(shí)，按其本身的線膨脹系數(shù)，尺寸有所增加。相應(yīng)地，模具在工作溫度下的尺寸應(yīng)與前者一致。利用尺寸的熱補(bǔ)償可消除此差異。經(jīng)推導(dǎo)得尺寸熱補(bǔ)償公式為：

Ldie0＝Lpart0（1+ΔT1α1）/（1+ΔT2α2）

式中 Ldie0——室溫時(shí)模具的名義尺寸；

Lpart0——室溫時(shí)零件的名義尺寸；

α1——成形溫度時(shí)零件的線膨脹系數(shù)；

α2——成形溫度時(shí)模具的線膨脹系數(shù)；

ΔT1——零件成形溫度與室溫的溫差；

ΔT2——模具工作溫度與室溫的溫差。

需要重視的是，熱模具成形的模具體積比坯料體積大很多，模具的整體加熱比較困難，為成本考慮，一般采用表面噴烤的方式加熱。模具工作表面的溫度通常來說要高于其他位置，應(yīng)將模具的平均溫度視為補(bǔ)償公式中的模具的工作溫度，代入補(bǔ)償公式進(jìn)行計(jì)算；或者計(jì)算模具局部線膨脹后的尺寸，將其作為模具的工作尺寸。而對于坯料來說，公式中的成形溫度應(yīng)為坯料的終成形溫度。這樣全面考慮可進(jìn)一步提高模具設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的尺寸精度。

凸凹模間隙與潤滑條件的使用

圖5 厚板熱彎曲件與尺寸精度

如前所述，模具的凸凹模間隙、坯料與模具表面間的潤滑條件影響著成形精度。如圖5所示，設(shè)定凸凹模間隙與潤滑條件為固定值時(shí)，凸凹模間隙為13.2mm，玻璃潤滑劑潤滑厚板熱彎曲件。觀察零件彎曲段可見，其外表面存在劃傷，并且隨著彎曲半徑的增大，劃傷由重變輕。從零件外形尺寸掃描結(jié)果可見，彎曲件平面部分尺寸精度良好，尺寸偏差主要出現(xiàn)在彎曲部分，該偏差隨著彎曲半徑的變大而增加。

經(jīng)研究得出，在實(shí)際可選的工藝條件下，凸凹模間隙的增加和潤滑條件的改善（降低摩擦系數(shù)）都可以提高成形件的表面質(zhì)量。而對于成形尺寸精度來說，當(dāng)固定潤滑條件而改變凸凹模間隙時(shí)，成形件彎曲段的最大尺寸偏差的變化要大于固定凸凹模間隙而改變潤滑條件，這樣前者便成為了調(diào)整尺寸偏差的主要手段，而后者可作為輔助手段。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，可將兩者結(jié)合起來使用，兼顧提高成形精度的同時(shí)改善零件的表面質(zhì)量。

以文中的零件為例，可采取變化凸凹模間隙并輔以變化潤滑條件的方法來提高成形件的尺寸精度和表面質(zhì)量。如圖6所示，具體操作方法：由彎曲半徑小的一端至彎曲半徑大的一端，設(shè)定凸凹模間隙由大變小，以調(diào)整彎曲段尺寸偏差。同時(shí)使?jié)櫥瑮l件由光滑變粗糙（摩擦系數(shù)由小變大），使曲率半徑較小處潤滑條件好，從而改善彎曲段外表面的粗糙度，也可以進(jìn)一步起到調(diào)整尺寸偏差的作用。由于改變潤滑條件對于尺寸偏差的影響不及改變凸凹模間隙，所以在曲率半徑小的一端設(shè)定較小的摩擦系數(shù)不會使尺寸偏差顯著增加。

圖6 變化凸凹模間隙輔以變化潤滑條件

坯料隔熱

圖7 坯料隔熱

圖8 包套彎曲

坯料隔熱的具體方法如圖7所示，在坯料自加熱后至成形模具間的運(yùn)輸過程中包裹隔熱層，待運(yùn)送至模具間時(shí)去掉隔熱層，進(jìn)行彎曲。此方法的特點(diǎn)是，隔熱材料的保溫效果較好，坯料運(yùn)輸過程中熱量損失少，溫度控制準(zhǔn)確，可較好地達(dá)到控制材料組織的目的。但是，需要注意的是，由于一些隔熱材料（如石棉）在操作過程中較易脫落，故該方法容易對坯料和模具表面造成污染，進(jìn)而影響成形效果，所以應(yīng)注意在實(shí)際生產(chǎn)中避免隔熱材料的脫落。

除此之外，還可采用一種類似包套鍛造的方式，對板材進(jìn)行彎曲操作。具體方法如圖8所示，對厚板坯料進(jìn)行包裹，包套為變形金屬材料，將包套層與板材坯料一同放入加熱設(shè)備中加熱，而后取出也一同置入模具中進(jìn)行彎曲。使用這種方式，可以在整個(gè)工藝過程中對坯料進(jìn)行保溫，以達(dá)到控制材料組織的作用。同時(shí)，包套外層在彎曲時(shí)對坯料可起到保護(hù)作用，有利于提高成形件的表面質(zhì)量。與坯料運(yùn)輸途中保溫相比，該方法沒有去除包套層的環(huán)節(jié)，操作更加簡單。但包套材料為金屬材料，隔熱效果不及石棉等隔熱材料，在運(yùn)輸過程中要避免過量的熱損失。

另外，此方法也存在一定的局限性。彎曲變形本身的特點(diǎn)決定了在零件內(nèi)側(cè)彎曲半徑較小時(shí)，不適合采用兩面包套的方式，此時(shí)可考慮外側(cè)包套而內(nèi)側(cè)用石棉包裹的方式。使用此法時(shí)，包套材料的選擇至關(guān)重要。包套外層與坯料一同變形，包套材料選擇不當(dāng)將可能影響到成形件的尺寸精度。一般來說，根據(jù)不同情況，可采用坯料的同種或異種材料的薄板。采用同種材料時(shí)，所有變形區(qū)域材料的線膨脹系數(shù)和變形性能相同，對提高成形精度有利，適合于一般的成本較低的材料成形。對于高溫合金及其他先進(jìn)材料來說，合金本身價(jià)格就比較高，再使用薄板的話成本太高，此時(shí)可采用與坯料不同的薄板作為包套材料，但包套材料的線膨脹系數(shù)和變形性能要接近成形材料。以高溫合金為例，可采用奧氏體不銹鋼作為包套材料。奧氏體不銹鋼本身的塑性較好，雖然在高溫變形時(shí)變形抗力較低，線膨脹系數(shù)較高，但作為外層包套材料，在使用過程中降溫程度大于內(nèi)部坯料，從而使其變形抗力和線膨脹系數(shù)接近高溫合金，起到較為理想的包套作用。

結(jié)束語

高溫合金厚板成形的影響因素較多，工藝比較復(fù)雜，本文從幾個(gè)方面進(jìn)行了研究和討論，提出了關(guān)于模具設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)和成形操作等方面的質(zhì)量控制方法。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)產(chǎn)品的具體需求，將其結(jié)合使用，希望對企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)有所參考和啟發(fā)。