文/甘洪巖,陳巖,程明,宋鴻武,張士宏·中國科學(xué)院金屬研究所

GH4169合金航空葉片類零件楔橫軋制坯工藝的研究

文/甘洪巖,陳巖,程明,宋鴻武,張士宏·中國科學(xué)院金屬研究所

本文介紹了一種短流程可實(shí)現(xiàn)成形成性一體化控制的GH4169合金航空葉片類零件高效、高精密楔橫軋制坯方法，其有助于實(shí)現(xiàn)葉片類零件短流程高效無余量精密塑性成形成性一體化制造。

背景介紹

鎳基GH4169高溫合金因具有優(yōu)異的高溫性能而被廣泛應(yīng)用于制造航空航天關(guān)鍵零部件。然而，GH4169合金制造零件的機(jī)械性能受成形后微觀組織影響很大，晶粒尺寸主要依靠熱成形工藝控制。目前GH4169合金葉片類零件制坯常采用熱成形（熱鍛、熱擠壓）及機(jī)械加工方法。

普通熱鍛法效率低、精度難以保證，一般必須進(jìn)行后續(xù)切削加工。一方面切削加工會嚴(yán)重降低加工效率和材料利用率，另一方面破壞了鍛造流線和表層組織，改變了表面殘余應(yīng)力分布，導(dǎo)致鍛件變形和疲勞性能嚴(yán)重降低，需要進(jìn)一步校形、噴丸處理和光整加工。因此，國內(nèi)外工業(yè)界不斷尋求葉片類零件高效無余量精密塑性成形成性一體化制造技術(shù)——楔橫軋制工藝。

楔橫軋指圓柱形坯料在兩軋輥的模具間或在兩平板模具之間發(fā)生連續(xù)局部變形，軋制零件形狀和模具底部型槽形狀一致的工藝技術(shù)。楔橫軋技術(shù)是一種高效、近凈成形的金屬塑性成形工藝。加工時材料同時發(fā)生徑向壓縮變形和軸向延伸變形，能充分發(fā)揮金屬材料的塑性潛力。與其他軋制成形相比，楔橫軋可高效地加工出變截面零件，利用該工藝所軋制的產(chǎn)品具有較高的強(qiáng)度和耐磨性，適用于各種結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、銅基、鈦基、鎳基和鋯基等合金進(jìn)行塑性加工。目前，楔橫軋技術(shù)在世界范圍內(nèi)受到重視，主要用于汽車軸類件和工程機(jī)械軸類件的生產(chǎn)。目前楔橫軋主要有以下幾種形式（圖1）。

GH4169合金航空葉片類零件制坯現(xiàn)狀

目前，GH4169合金航空葉片類零件制坯加工制造方法主要有鑄造法和多道次熱鍛法。鑄造法由于其組織缺陷難以避免，在不能滿足組織性能要求時一般需要采用塑性加工法。

其中利用航空材料超塑性特性提出的等溫精密鍛造成形技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)渦輪盤、壓氣機(jī)葉片等航空復(fù)雜鍛件精密成形。近年來等溫精密鍛造技術(shù)在國內(nèi)航空制造領(lǐng)域發(fā)展較快，但遠(yuǎn)未達(dá)到大量推廣應(yīng)用的工業(yè)化技術(shù)水平，這主要是因?yàn)槠淠＞哂商厥獠牧现圃?，費(fèi)用比普通模具高得多；且需要穩(wěn)定均勻可控的模具加熱系統(tǒng)；為防止工件和模具氧化，還需要額外的真空或惰性氣體保護(hù)裝置等。制造成本高、成形效率低成為限制該技術(shù)推廣應(yīng)用的重要瓶頸。

圖1 楔橫軋結(jié)構(gòu)

近年來葉片冷輥鍛技術(shù)在國內(nèi)外受到了極大重視，取得了一定應(yīng)用成果。然而，葉片傳統(tǒng)冷輥軋技術(shù)由于模具和工藝設(shè)計(jì)復(fù)雜，主要采用試錯法反復(fù)調(diào)試，工業(yè)界還需保留0.1～1mm的切削加工余量，難以達(dá)到無余量的精確成形成性一體化制造。

中科院金屬研究所張士宏老師課題組在高溫合金葉片傳統(tǒng)冷輥鍛技術(shù)基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性的提出了高溫合金壓氣機(jī)葉片無余量冷輥軋精確成形工藝。該工藝無需后續(xù)的切削和噴丸工序，實(shí)現(xiàn)了高效短流程制造，材料利用率提高30%以上，加工效率提高近一倍，給航空發(fā)動機(jī)葉片及其復(fù)雜型面關(guān)鍵零件的成形成性一體化制造提供了新的思路。因此高效的精確制坯技術(shù)和無余量輥鍛設(shè)計(jì)理論方法是推動航空葉片類復(fù)雜零件無余量高效精密成形的關(guān)鍵技術(shù)，對推動我國航空零件關(guān)鍵零部件的制造，提升航空零件成形成性一體化具有長遠(yuǎn)意義。

高溫合金GH4169合金楔橫軋制坯

目前，采用楔橫軋制坯大都集中于汽車軸類件的加工中。由于航空零件性能要求高，大都采用高性能難成形材料如高溫合金、鈦合金等，但尚未采用楔橫軋制坯方法。在高溫合金航空葉片類零件楔橫軋方面的研究也僅限于有限元分析，而且報道也較少。課題組結(jié)合在高溫合金GH4169合金材料成形性能分析及塑性加工方面的優(yōu)勢，創(chuàng)造性的提出了高溫合金壓氣機(jī)葉片無余量冷輥軋精確成形工藝，即楔橫軋制坯-輥鍛成形的高效成形方式。

首先，采用有限元仿真軟件DEFORM對楔橫軋全過程進(jìn)行仿真模擬，軋制結(jié)果以圖形化形式顯示，便于對軋件在軋制過程中金屬的流動規(guī)律、應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析，對模具的設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。通過楔橫軋過程軋制不同位置及不同軋制階段的溫度場變化云圖，分析楔橫軋過程中軋件在同一橫斷面上不同位置的溫度場變化趨勢以及在不同軋制階段軋件的溫度場變化規(guī)律、不同位置不同軋制階段等效應(yīng)力、等效應(yīng)變的變化規(guī)律以及不同軋制速度對楔橫軋不同階段等效應(yīng)力的變化規(guī)律，為分析組織演變規(guī)律提供理論基礎(chǔ)。

⑴有限元模擬模型建立。

結(jié)合零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料利用率、成形精度及成形效率等因素，采用板式楔橫軋加工。模具設(shè)計(jì)的主要參數(shù)見表1。采用三維建模軟件SolidWorks進(jìn)行楔橫軋模具建模并保存為STL文件格式。圖2為有限元模擬采用的楔橫軋模型。

表1 主要模具設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 板式楔橫軋模型

⑵楔橫軋不同階段動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)、晶粒尺寸。

將固溶態(tài)高溫合金GH4169的動態(tài)再結(jié)晶模型及晶粒尺寸模型應(yīng)用FORTRAN語言寫入DEFORM軟件二次開發(fā)接口文件，應(yīng)用表2所示的GH4169合金的動態(tài)再結(jié)晶模型得出楔橫軋不同階段動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)分布圖（圖3）和晶粒尺寸圖（圖4）。從圖3中可以看出，軋件動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)由楔入段-展寬段-平整段逐漸增加，這是由于隨著軋制過程的進(jìn)行，軋件的等效應(yīng)變由軋件表面向軋件心部逐漸增大，只有等效應(yīng)變到達(dá)GH4169合金的開始發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變時才能發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。對應(yīng)圖4可以清晰的發(fā)現(xiàn)在發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶位置晶粒尺寸得到明顯的細(xì)化。從圖3和圖4分析中可以看出在展寬段后期和平整段，再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)和晶粒尺寸并未發(fā)生明顯變化。

楔橫軋制坯件微觀組織分析

⑴溫度對楔橫軋成形的影響。

試驗(yàn)中采用不同的熱處理溫度和熱處理時間，分析熱處理溫度和熱處理時間對楔橫軋成形性的影響。熱處理工藝如下：試驗(yàn)溫度范圍1100～1250℃，保溫時間10～60min，不同的熱處理工藝得到的軋制狀態(tài)如圖5所示：從軋制件情況看，GH4169合金的軋制溫度及保溫時間對楔橫軋成形有較大影響。

⑵楔橫軋件微觀組織及第二相球化分析。

將高溫合金GH4169楔橫軋件沿軸向剖開，對不同工藝條件下楔橫軋件的金相組織及第二相球化進(jìn)行分析，楔橫軋件的金相組織及δ相形貌如圖6、圖7所示，通過對不同工藝條件下組織形貌的分析得出楔橫軋對GH4169高溫合金組織演變的影響規(guī)律。從金相圖中可以看出楔橫軋件表面晶粒較心部晶粒細(xì)小，這是由于軋件表面變形量要大于軋件心部，軋件表面動態(tài)再結(jié)晶較心部充分。在工藝條件設(shè)置不佳時，容易出現(xiàn)混晶現(xiàn)象影響軋件的性能；第二相粒子δ相在楔橫軋后會出現(xiàn)明顯的“球化”現(xiàn)象，“球化”程度與楔橫軋工藝條件及軋件徑向不同位置有關(guān)，越靠近軋件表面δ相“球化”程度越大，在心部“球化”效果不明顯。通過調(diào)整工藝參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)整個軋件內(nèi)部δ相完全“球化”。

表2 GH4169合金動態(tài)再結(jié)晶模型

圖3 動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)

圖4 楔橫軋各階段晶粒尺寸

圖5 不同熱處理工藝下楔橫軋成形件

圖6 GH4169楔橫軋金相組織

結(jié)束語

楔橫軋具有高效、節(jié)材、易于實(shí)現(xiàn)成形成性一體化控制的技術(shù)優(yōu)勢。結(jié)合材料特性開發(fā)航空葉片類難變形材料復(fù)雜件的楔橫軋制坯技術(shù)，加強(qiáng)難變形材料成形特性、楔橫軋過程中的組織演變規(guī)律等的研究對航空葉片類零件楔橫軋制坯應(yīng)用具有重大意義。

圖7 δ相演化規(guī)律

此外，楔橫軋技術(shù)有望應(yīng)用于高溫合金材料的零件制坯工藝，并實(shí)現(xiàn)這種高效加工技術(shù)的工業(yè)化拓展。

甘洪巖，副研究員。主要研究楔橫軋技術(shù)在高溫合金成形成性一體化中的應(yīng)用，擁有發(fā)明專利一項(xiàng)。