文/鞠秀義，汪大成，史麗坤，陳蘇，丁維·中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司

高溫合金轉(zhuǎn)子葉片擠壓制坯工藝研究

文/鞠秀義，汪大成，史麗坤，陳蘇，丁維·中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司

鞠秀義，工程師，2006年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)，長(zhǎng)期從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件鍛造技術(shù)及工藝研究工作。

一種轉(zhuǎn)子葉片材料為GH4169合金，鍛件采用擠壓制坯及精密成形工藝制造，采用初始工藝方案試制鍛件，在終鍛時(shí)出現(xiàn)設(shè)備能力不足、葉身厚度值超差、葉身進(jìn)排氣邊緣撕裂等問(wèn)題，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，擠壓預(yù)鍛坯葉身大部分截面積過(guò)大，導(dǎo)致終鍛時(shí)需壓縮變形的金屬過(guò)多，變形量過(guò)大，超出材料自身塑性變形范圍。通過(guò)重新設(shè)計(jì)擠壓模具，合理調(diào)整了葉身及定位凸臺(tái)部位的截面積，擠壓出的預(yù)鍛坯較好地滿(mǎn)足了終鍛變形需求，獲得了尺寸合格、組織性能優(yōu)良的葉片鍛件。

一種轉(zhuǎn)子葉片材料為GH4169合金，該類(lèi)葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的重要轉(zhuǎn)動(dòng)部件，在研制該葉片精鍛毛坯（如圖1所示）的過(guò)程中，摒棄了傳統(tǒng)的擠桿＋鐓頭＋預(yù)鍛＋精密成形的鍛造成形工藝，代之以擠壓＋精密成形的鍛造成形工藝，用一火次擠壓制坯代替了三火次綜合制坯，不但使成形工藝流程縮短一半，所用鍛造工裝減少一半，而且對(duì)葉片獲得較細(xì)的晶粒度也非常有利，是一種十分精益的葉片鍛造技術(shù)。然而在初始擠壓工藝方案中，采用了常用的開(kāi)式擠壓方式，葉身長(zhǎng)度方向敞開(kāi)（擠壓坯如圖2所示），最終精密成形時(shí)，存在設(shè)備打擊力不足且變形量過(guò)大的困難，導(dǎo)致葉身厚度超差、葉片進(jìn)排氣邊緣撕裂等問(wèn)題的出現(xiàn)，為此需對(duì)該葉片擠壓制坯工藝進(jìn)行研究、優(yōu)化。

圖1 葉片鍛件

圖2 原擠壓件

工藝性分析

采用DEFORM-3D軟件模擬原擠壓件精密成形的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)鍛造成形后葉身毛邊過(guò)大，整個(gè)葉身展寬已接近葉身自有寬度的3倍（如圖3所示），同時(shí)所需最大打擊力為7.36MN（如圖4所示）。

圖3 模擬終鍛件

圖4 模擬終鍛需要的壓力

分析葉片鍛件（如圖5所示）的特點(diǎn)，鍛件的定位凸臺(tái)（A-A）處截面積為86.3mm2，葉身最大截面（B-B）的面積為62mm2。在初始擠壓工藝方案中，葉身長(zhǎng)度方向敞開(kāi)，所擠出的葉身部分是等截面的，為保證截面積最大的葉尖定位凸臺(tái)處的充滿(mǎn)，需根據(jù)定位凸臺(tái)處截面積計(jì)算擠壓件葉身部分截面積，計(jì)算的結(jié)果為106.3mm2（圖5中C-C截面），此面積大于葉身終鍛實(shí)際需求的62mm2近一倍，富余材料過(guò)多，這對(duì)于厚度較薄的轉(zhuǎn)子葉片來(lái)說(shuō)十分不利，一方面由于GH4169合金是難變形材料，其塑性相對(duì)較低，難以滿(mǎn)足葉身大幅度展寬對(duì)其流動(dòng)的需要，導(dǎo)致葉片厚度打不下去，所需設(shè)備打擊力急劇增大，同時(shí)查出所用鍛造設(shè)備1000t螺旋壓力機(jī)由于老化，打擊力富余量很小，不能保證精密成形時(shí)上下模的完全閉合，因此導(dǎo)致了葉身厚度超差；另一方面由于轉(zhuǎn)子葉片精密成形時(shí)進(jìn)、排邊緣很薄，不足1mm，且處于大變形區(qū)（如圖6所示），易超出合金的塑性極限，導(dǎo)致在鍛件終鍛時(shí)進(jìn)、排氣邊緣產(chǎn)生撕裂。

圖5 終鍛件與原擠壓件截面積對(duì)比

圖6 模擬終鍛等效應(yīng)變

工藝及模具設(shè)計(jì)

為了降低終鍛投影面積，將所需設(shè)備打擊力降下來(lái)，并解決葉片進(jìn)、排氣邊緣產(chǎn)生的撕裂，必須將葉身的截面積縮小，同時(shí)還要保證定位凸臺(tái)處有足夠的金屬。設(shè)計(jì)了圖7所示的新擠壓件，將開(kāi)式擠壓成形改為半閉式擠壓成形，擠壓時(shí)金屬先通過(guò)模具的狹窄區(qū)域Ⅰ，繼續(xù)流動(dòng)到模具的葉尖狹窄區(qū)域Ⅱ時(shí)遇到障礙，部分金屬改變流動(dòng)方向，向定位凸臺(tái)處填充，使該處聚集足夠的金屬，適應(yīng)了鍛件葉身的截面積變化（如表1所列），新、舊擠壓件外形如圖8所示，這樣既滿(mǎn)足了葉尖凸臺(tái)充滿(mǎn)的需要，又減小了終鍛時(shí)的投影面積，模擬結(jié)果如圖9、圖10所示。同時(shí)不完全采用閉式擠壓成形，允許多余金屬以毛邊的形式擠出，能夠起到保護(hù)模具的作用。

圖7 新擠壓件

圖8 擠壓件截面選取位置

表1 新擠壓件各處截面積

圖9 模擬終鍛件

圖10 模擬終鍛需要的力

采用DEFORM-3D軟件模擬新擠壓件精密成形的過(guò)程，模擬終鍛件的投影面積為原始的63%，所用能量為3.19MN，預(yù)計(jì)能夠滿(mǎn)足設(shè)備以及工藝要求。

工藝試驗(yàn)及結(jié)果

采用160t沖床擠壓試驗(yàn)，擠壓前坯料加熱溫度為1050℃，擠壓模具表面預(yù)熱溫度為180～210℃。擠壓出的擠壓件如圖11所示。

圖11 新擠壓件實(shí)物照片

表2 優(yōu)化前后擠壓件與終鍛件晶粒度對(duì)比

表3 優(yōu)化前后擠壓件與終鍛件δ相對(duì)比

表4 新擠壓件所鍛葉片鍛件性能

采用1000t螺旋壓力機(jī)進(jìn)行終鍛試驗(yàn)，加熱溫度為1020℃，終鍛件完全充滿(mǎn)，且鍛件厚度達(dá)到工藝要求，終鍛件進(jìn)、排氣邊沒(méi)有出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，將優(yōu)化前后的擠壓件（改變前的擠壓件經(jīng)過(guò)打磨修形）與終鍛件（鍛造參數(shù)相同）同時(shí)進(jìn)行如下制度的熱處理：965℃保溫1h，空冷；隨爐升至720℃保溫8h，隨爐降至620℃保溫8h，空冷，并進(jìn)行晶粒度對(duì)比分析（如表2所示）。

從表2中可以看出優(yōu)化前后的擠壓件的晶粒度大體相當(dāng)，優(yōu)化后的終鍛件晶粒度要優(yōu)于優(yōu)化前的，兩種設(shè)計(jì)方式的擠壓件與終鍛件金屬流線(xiàn)均沒(méi)有目視可見(jiàn)的缺陷，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。為了更加直接區(qū)分?jǐn)D壓件優(yōu)化前后的差異，對(duì)優(yōu)化前后的擠壓件、終鍛件δ相進(jìn)行了對(duì)比，如表3所示。

通過(guò)δ相的對(duì)比可以直接看出，優(yōu)化后的擠壓件δ相明顯優(yōu)于優(yōu)化前的擠壓件，同樣與之相對(duì)應(yīng)的終鍛件的δ相也優(yōu)于優(yōu)化前。GH4169材料的δ相在經(jīng)過(guò)熱變形的材料或鍛件的冷卻過(guò)程中，δ相重新析出，變形量大，促進(jìn)δ相的析出，數(shù)量就多?？梢?jiàn)優(yōu)化后的擠壓件終鍛更加合理，有利于轉(zhuǎn)子葉片的鍛造成形。經(jīng)計(jì)算，優(yōu)化后的擠壓件節(jié)省材料30.1%。用新擠壓件所鍛葉片鍛件性能見(jiàn)表4。

從表4中可以看出用新擠壓件所鍛葉片鍛件性能均達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求，且均有一定的富裕度，表明所研制轉(zhuǎn)子葉片性能優(yōu)良。

結(jié)論

⑴研究表明，采用開(kāi)式擠壓成形，所擠壓的擠壓件葉身截面積過(guò)大，是初始擠壓工藝方案導(dǎo)致葉身厚度超差、葉片進(jìn)排氣邊緣撕裂等問(wèn)題的癥結(jié)所在。

⑵采用半閉式擠壓成形代替開(kāi)式擠壓成形，適應(yīng)了轉(zhuǎn)子葉片鍛件葉身的截面積變化，有效減小了葉片精密成形時(shí)的投影面積，降低所需設(shè)備打擊力，解決了葉身厚度超差、葉片進(jìn)排氣邊緣撕裂等問(wèn)題，且節(jié)省材料30.1%。

⑶采用優(yōu)化后的擠壓制坯工藝，所成形的擠壓件和葉片鍛件晶粒度及主要強(qiáng)化相均優(yōu)于優(yōu)化前，所研制的葉片鍛件具備優(yōu)良的性能。