供稿|裴然， 焦讓 / PEI Ran， JIAO Rang

高溫合金渦輪盤的輾壓制造

近終成形結(jié)晶顆粒度分布的輾壓成形加工制造技術(shù)是在加工過程中對(duì)結(jié)晶顆粒度分布進(jìn)行控制的一種新工藝。這種工藝可以使用較小噸位的制造設(shè)備代替大型水壓機(jī)成形加工工件。在加工過程中，輾壓頭的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡決定了零件的形狀與微觀組織分布。該項(xiàng)技術(shù)的研究與應(yīng)用對(duì)目前國(guó)內(nèi)制造大飛機(jī)用雙性能盤有著重要的意義，除降低制造成本外，可控制渦輪盤制造過程中的雙金屬結(jié)晶質(zhì)量才是突破型的創(chuàng)造與飛躍。

航空渦輪盤的制造工藝

目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤制造工藝歸納起來有以下幾種方法：(1) 先進(jìn)的鑄鍛變形工藝；(2) 粉末冶金工藝；(3) 噴射成形工藝。

其中最常用的是先進(jìn)的鑄鍛變形和粉末冶金工藝。

先進(jìn)鑄鍛變形工藝——先進(jìn)的鑄鍛工藝對(duì)材料和加工工藝都提出了很高的要求，一方面，用來鑄鍛的毛坯材料要經(jīng)過高度提純，精細(xì)結(jié)晶控制，合理的開坯使得其具有良好的細(xì)晶組織，給后面的機(jī)械加工提供良好結(jié)晶的材料。另外，雖然有了優(yōu)良的材料，如何對(duì)材料進(jìn)行加工，使材料不但能夠形成所需要的形狀，而且還能減少加工量，同時(shí)還使加工后的材料的整體性能在零件上得到優(yōu)化。

粉末冶金工藝——粉末冶金是為了減少目前制造渦輪盤成本而出現(xiàn)的一種材料制造和加工工藝。粉末冶金的工序分為制粉、壓制與燒結(jié)兩道工序。通過制粉工序，一是可以保證加工工序開始時(shí)合成材料的均勻性；二是可以獲得以常規(guī)方法處理不能得到的人造合金組織。通過壓制和燒結(jié)工序，可以將松散的粉末壓制成具有一定“生料”強(qiáng)度的比較致密的固體型坯，以便進(jìn)一步加工處理。

不論是以上何種工藝，最后一道工序都是在壓力成形機(jī)上整體成型的。根據(jù)其成形的溫度不同而分成熱模鍛、等溫模鍛兩種。

熱模鍛可獲得較好的微觀組織。模具材料通常為鋼或高溫合金。鍛錘、螺旋壓力機(jī)、機(jī)械壓力機(jī)、液壓機(jī)等鍛壓設(shè)備具有萬能性，但在成形加工時(shí)，工件流動(dòng)金屬與模具接觸面間有較大相對(duì)滑動(dòng)，因而產(chǎn)生了較大的摩擦力，增加了金屬單位面積變形抗力。熱模鍛所需設(shè)備噸位大，振動(dòng)和噪聲也大；設(shè)備、廠房投資高，能耗大；模具壽命低，生產(chǎn)成本高。

等溫模鍛，即在幾乎恒定的溫度條件下進(jìn)行精密模具成型。為了保證恒溫成形的條件，模具也必須加熱到與坯料相同的溫度。等溫模鍛通常用于航空航天工業(yè)中鈦合金、鋁合金、鎂合金等零件的精密成形。等溫模鍛是一種能夠?qū)崿F(xiàn)少切削、無切屑加工和精密成形的鍛造新工藝。其主要特點(diǎn)是，在模鍛開始時(shí)，模具和坯料具有相同溫度，工件溫度場(chǎng)均勻，與熱模鍛相比可獲得更好的微觀組織。鍛壓機(jī)以預(yù)選的低值施加壓力，壓力機(jī)的工作速度可根據(jù)坯料的變形抗力自動(dòng)調(diào)節(jié)。這項(xiàng)工藝由于變形速率很低，工件長(zhǎng)時(shí)間與環(huán)境溫度保持隔離狀態(tài)，可使溫度變化減到最小程度。所以非常適用于鍛壓形狀復(fù)雜、投影面積大(要求較大設(shè)備載荷)的零件。

而熱輾壓工藝制造出來的工件就能達(dá)到上述等溫模鍛的效果，其致密性和金屬結(jié)晶度還比等溫模鍛多了可控性，這就使得這兩種不同工藝制造的零件大有區(qū)別。圖1(a)所示就是輾壓加工出來的渦輪盤件，但還沒有采用雙結(jié)晶材料技術(shù)。圖1(b)所示就是傳統(tǒng)熱鍛造技術(shù)的產(chǎn)品，外形尺寸差異較大，需要大量切削掉高溫合金材料。

圖1 輾壓成形與傳統(tǒng)熱模鍛近終成形比較示意圖

圖2 小直徑渦輪盤終近形工件

新的制造工藝及研究意義

隨著航空、軍工以及能源工業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)大直徑高溫合金渦輪盤的需求逐漸增多。例如大功率飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、艦用燃汽輪機(jī)、發(fā)電用的地面燃汽輪機(jī)以及蒸汽輪機(jī)中所用的很多渦輪盤直徑都大于1 m。當(dāng)前國(guó)內(nèi)渦輪盤鍛造的主流工藝是在壓力機(jī)上進(jìn)行整體高溫鍛造。在這種整體成形方法中，隨著渦輪盤形件的直徑增大，其制造所需要的壓力機(jī)噸位急劇增大。例如俄羅斯用高達(dá)750 MN的壓力機(jī)制造1.2 m直徑的高溫合金渦輪盤，我國(guó)目前最大的水壓機(jī)只有350 MN，因此需要為大直徑渦輪盤的生產(chǎn)制造更大的鍛造壓力機(jī)。

此外整體鍛造高溫合金渦輪盤工藝要求模具材料有極高的高溫強(qiáng)度。因此鍛造大直徑渦輪盤需要高額的模具材料費(fèi)和加工費(fèi)。

如今，下一代飛機(jī)的大推重比對(duì)渦輪盤的特性提出了更高的要求。具有高推重比的第4代航空發(fā)動(dòng)機(jī)都開始使用抗蠕變雙性能渦輪盤，這種雙性能盤是靠盤形件內(nèi)微觀組織的特殊分布來保證的，研制這種雙性能渦輪盤對(duì)于提高飛機(jī)的性能是至關(guān)重要的。而雙性能盤的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)與其最后一道加工成形工藝有著密切的關(guān)系。為滿足渦輪盤加工技術(shù)的需求，我國(guó)近年來找到了一種對(duì)高溫合金坯件進(jìn)行最后一道近終形輾壓成形的新技術(shù)。目前輾壓盤的近終形加工技術(shù)一般采用連續(xù)局部塑性成形的方法，在加熱方式上和多次輾壓控制內(nèi)部微觀組織結(jié)晶的特殊分布上都有較大的突破，達(dá)到了新一代渦輪盤制造的需要。但是目前國(guó)內(nèi)外還都局限在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)小直徑試驗(yàn)件階段。圖2中所示就是國(guó)外在等溫爐中輾壓的渦輪盤件，已經(jīng)達(dá)到近終形工藝要求。

輾壓加熱方式探索與機(jī)械結(jié)構(gòu)

在輾壓技術(shù)誕生初期，將輾壓頭和工件一同放進(jìn)爐內(nèi)加熱就成為唯一的辦法。由于在高溫下輾壓頭的材料軟化，帶來輾壓成形的近終性能差，不能充分展現(xiàn)輾壓技術(shù)帶來的變化。后來就開始探索新的加熱方式，高頻感應(yīng)加熱是目前最好的方法之一。由此帶來的加工方法改變，也使輾壓機(jī)的結(jié)構(gòu)改革，形成新的輾壓控制方法和技術(shù)。

輾壓加熱方式

輾壓技術(shù)形象的講就是典型的兩根搟面杖來對(duì)搟高溫合金這個(gè)餅。它利用了小噸位輾壓頭來制造加工需要大噸位鍛壓機(jī)才能加工出來的零件。因而輾頭所抵抗的塑性變形力使得在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)上提出了更高的要求。

由于加工的高溫合金盤需要很高的加工溫度，而且原來的技術(shù)是要在爐內(nèi)加熱到1140 ℃，才能對(duì)渦輪盤實(shí)現(xiàn)近終形加工。如圖3所示，爐內(nèi)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且在高溫環(huán)境下輾壓頭的冷卻成為最大難題。

圖3 高溫爐內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖

因此對(duì)輾壓機(jī)設(shè)計(jì)和輾壓頭熱變形補(bǔ)償以及冷卻提出了更高的要求。如圖4所示，俄羅斯金屬超塑成型問題研究中心發(fā)展了一種加熱軋輥技術(shù)，通過局部變形制造軸對(duì)稱以及凸緣等形狀，并且制成樣機(jī)進(jìn)行輾壓生產(chǎn)渦輪盤實(shí)驗(yàn)。

美國(guó)從1977年實(shí)施雙性能粉末盤的研究計(jì)劃，但由于制造工藝復(fù)雜、難度大，并從發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠性考慮，直到1997 年，采用雙重?zé)崽幚砉に?DualHeat Treatment， DHT)制造的D IP IN100 雙性能粉末盤才在第4代戰(zhàn)斗機(jī)F22、F119發(fā)動(dòng)機(jī)上使用。為克服以上輾壓機(jī)的不足，近年內(nèi)國(guó)內(nèi)對(duì)此進(jìn)行了突破性的創(chuàng)新，用高頻紅外感應(yīng)線圈代替了爐體，使得輾壓過程處在常溫的環(huán)境中進(jìn)行，同時(shí)在輾頭的輾壓區(qū)域由于感應(yīng)線圈的加熱，可以順利進(jìn)行輾壓加工。這一創(chuàng)新使得我國(guó)對(duì)大直徑、高強(qiáng)度的渦輪盤加工變的可行、可控，同時(shí)便于冷卻和控制加工零件的晶粒度變化分布要求。使輾壓機(jī)的總體設(shè)計(jì)思路有了質(zhì)的飛躍。如圖5所示，輾壓頭在感應(yīng)線圈加熱區(qū)進(jìn)行輾壓，其他區(qū)域還可以安置多對(duì)輾壓機(jī)構(gòu)來提高效率。

圖4 高溫爐內(nèi)的輾壓過程

圖5 高頻感應(yīng)加熱高溫合金盤數(shù)控輾壓機(jī)

此輾壓裝備還處于傳統(tǒng)的直角坐標(biāo)系的結(jié)構(gòu)，在較大的塑性變形力的作用下退讓較大，不能準(zhǔn)確控制輾壓壓下量。由此現(xiàn)在推出采用整機(jī)框架式結(jié)構(gòu)的輾壓機(jī)，一方面框架式結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，另一方面框架式結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)力和力矩的封閉在一個(gè)空間內(nèi)，使機(jī)構(gòu)的退讓減小到最小程度，從而提高整機(jī)的剛度，使數(shù)控程序控制的輾壓形狀和壓下晶粒度控制提高到新的水平。如圖6所示在渦輪盤外緣部分晶粒度與根部可達(dá)到工藝需求分階段變化。達(dá)到新型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤的設(shè)計(jì)要求，晶粒度范圍可從十幾個(gè)微米級(jí)別控制改變到一百微米左右范圍。如圖6中所示，從根部至邊緣15 cm范圍內(nèi)，晶粒度可以改變50%以上。

圖6 渦輪盤邊緣至根部晶粒度結(jié)構(gòu)變化圖

封閉框架輾壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輾壓機(jī)整機(jī)采用框架式結(jié)構(gòu)，一方面框架式結(jié)相對(duì)簡(jiǎn)單，另一方面框架式結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)力和力矩的封閉，從而提高整機(jī)的剛度。輾壓機(jī)的框架如圖7所示。

本結(jié)構(gòu)由三類液壓缸驅(qū)動(dòng)。第一類缸是與內(nèi)框架相連的缸，用來帶動(dòng)內(nèi)框架內(nèi)所有部件運(yùn)動(dòng)。第二類缸是與L型導(dǎo)軌相連的，用來驅(qū)動(dòng)兩對(duì)中其中一個(gè)的運(yùn)動(dòng)，滿足不同復(fù)雜形狀盤的加工要求。第三類液壓缸用來驅(qū)動(dòng)輾頭的擺動(dòng)角，來完成不同角度輾壓需求。

由于使用液壓缸對(duì)輾壓頭進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而液壓缸旁邊就是紅熱的工件，所以除了要實(shí)時(shí)地對(duì)進(jìn)入液壓缸中的液壓油實(shí)行冷卻，還要對(duì)液壓缸進(jìn)行保護(hù)。本設(shè)計(jì)采用L型導(dǎo)軌，導(dǎo)軌將液壓缸與紅熱的工件隔開。由于導(dǎo)軌本身易于加隔熱層及進(jìn)行冷卻，所以在整體上提高了輾壓機(jī)耐高溫的能力，以及熱強(qiáng)度和剛度。

圖7 一對(duì)輾壓頭的力封閉框架示意圖

結(jié)束語(yǔ)

(1) 本文論述了輾壓機(jī)總體采用框架式對(duì)稱結(jié)構(gòu)有利于提高機(jī)床的總體剛度，而且有利于輾壓頭數(shù)控補(bǔ)償。采用高頻電磁感應(yīng)不均勻加熱方式，既節(jié)約了能源，又提供了加工晶粒度分布控制的雙性能盤的方法。提高了機(jī)床退讓性與輾壓頭的壽命問題，使得輾壓機(jī)加工渦輪盤的近終形精度進(jìn)一步得到提高。

(2) 可根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)工藝參數(shù)對(duì)輾壓工藝參數(shù)進(jìn)行了數(shù)控編程設(shè)計(jì)，得到了兩對(duì)輾壓頭能夠滿足輾壓機(jī)加工參數(shù)控制，并計(jì)算其對(duì)輾壓作用力與晶粒度改變的關(guān)系， 得到在實(shí)際生產(chǎn)過程中可應(yīng)用的參數(shù)庫(kù)。

(3) 使整機(jī)加工范圍達(dá)到200～1600 mm，相對(duì)與其他加工手段有較大變化區(qū)間，為提高加工效率實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)動(dòng)，用較慢的速度來加工盤根部分，用較快的速度來輾壓盤件邊緣附近。

歸納上述幾點(diǎn)，為了輾壓出形狀較好的渦輪盤，要求在輾壓過程中合理的運(yùn)動(dòng)速度，即可控輾壓出不同晶粒度的雙性能渦輪盤。綜合各項(xiàng)因素，框式力封閉輾壓結(jié)構(gòu)是較好的碾壓方式選擇。