王周田 唐 超 李松林 李 軻 張 鵬

(1．中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽(yáng)萬(wàn)航模鍛有限責(zé)任公司，四川618000；2．重慶大學(xué)材料學(xué)院，重慶400044；3．鋼鐵研究總院高溫材料研究所，北京100081)

良好的封嚴(yán)條件能有效降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)油耗、增大推重比、減少污染物排放并提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和效率，是制備高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵因素。劉信祖[1]對(duì)GH4738合金環(huán)形封嚴(yán)盤的軋制成形進(jìn)行了研究，但對(duì)GH4720Li合金盤前封嚴(yán)環(huán)的鍛造生產(chǎn)鮮有報(bào)道。本文采用鍛造成形的方式生產(chǎn)GH4720Li合金盤前封嚴(yán)環(huán)，采用數(shù)值模擬的方法，確定了鍛造成形所需的工藝參數(shù)，制定了成形模擬方案，并進(jìn)行了實(shí)際生產(chǎn)試制，通過(guò)熱處理工藝優(yōu)化，得到晶粒度及力學(xué)性能符合要求的鍛件，確定了GH4720Li盤前封嚴(yán)環(huán)鍛造生產(chǎn)所需的工藝參數(shù)及工藝流程。

1 數(shù)值模擬

為節(jié)省研究時(shí)間，降低試驗(yàn)成本，采用數(shù)值模擬的方式，確定了GH4720Li盤前封嚴(yán)環(huán)鍛件的工藝過(guò)程及工藝參數(shù)。

1.1 工藝流程

下料→平頭倒角→模鍛→銑飛邊→固溶→時(shí)效→粗加工→超聲檢測(cè)→腐蝕→精加工

1.2 鍛件成形過(guò)程

鍛造時(shí)，坯料加熱溫度為1120℃，模具預(yù)熱溫度600℃；鍛造設(shè)備使用200 MN壓機(jī)，下壓速度為10 mm/s，一火成型；鍛件出模后空冷至600℃后再進(jìn)行棉冷，鍛造過(guò)程如圖1所示。

圖1 鍛件成形過(guò)程Figure 1 The forming process of forging

1.3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)多次模擬優(yōu)化，得到滿足要求的鍛件，模擬結(jié)果如圖2所示。

從數(shù)值模擬結(jié)果中可以看出，GH4720Li盤前封嚴(yán)環(huán)鍛件充填完整，無(wú)明顯折疊，見(jiàn)圖2(a)；且鍛件流線基本隨形，無(wú)渦流、穿流等現(xiàn)象，見(jiàn)圖2(b)；應(yīng)變場(chǎng)在零件范圍內(nèi)分布比較均勻，等效應(yīng)變值主要集中在0.7～2.2之間，變形量約為33%～89%，見(jiàn)圖2(c)。鍛件成型后溫度場(chǎng)分布均勻，與模具型腔接觸部位溫降較快，從鍛件中間區(qū)域到邊緣溫降梯度平緩，見(jiàn)圖2(d)。鍛件完全成型所需壓制力約為72 MN，在鍛造設(shè)備壓制能力范圍內(nèi)，壓機(jī)有充足的能量使鍛件充填完整，見(jiàn)圖2(e)。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

按數(shù)值模擬得到的工藝參數(shù)，對(duì)GH4720Li盤前封嚴(yán)環(huán)鍛件進(jìn)行了試制，如圖3(a)所示。對(duì)鍛件進(jìn)行全流程加工并按交付尺寸解剖，解剖位置如圖3(b)所示。

圖2 數(shù)值模擬結(jié)果Figure 2 The results of numerical simulation

圖3 GH4720Li盤前封嚴(yán)環(huán)鍛件解剖位置Figure 3 Dissecting positions of GH4720Li sealing ring forging in front of disc

圖4 盤前封嚴(yán)環(huán)解剖件不同平底孔 水浸超聲檢測(cè)結(jié)果 Figure 4 Water immersion ultrasonic test results of dissecting parts of sealing ring forging in front of disc with different flat-bottom holes

2.1 無(wú)損檢測(cè)

對(duì)盤前封嚴(yán)環(huán)解剖件通過(guò)水浸超聲掃描的方式進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。使用GH4720Li成套對(duì)比試塊、10 MHz高靈敏度水浸聚焦探頭，對(duì)環(huán)件的端面、側(cè)面等位置進(jìn)行縱波垂直入射掃查，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

2.2 表面腐蝕

對(duì)盤前封嚴(yán)環(huán)解剖件進(jìn)行表面腐蝕，表面無(wú)可見(jiàn)粗晶及冶金缺陷。

2.3 熱處理工藝優(yōu)化

經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，零件部分位置晶粒度偏粗，平均晶粒度僅為8.0級(jí)，其余部位晶粒度可達(dá)到10.0級(jí)，因此分別對(duì)試樣進(jìn)行1060℃、1080℃、1100℃、1120℃、1140℃、1180℃固溶，再統(tǒng)一進(jìn)行時(shí)效處理，測(cè)試其力學(xué)性能，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 固溶處理后GH4720Li合金性能Figure 5 Mechanical properties of GH4720Li alloyafter solution treatment

由圖5可見(jiàn)，高于1140℃固溶處理后GH4720Li合金的室溫拉伸、650℃高溫拉伸和持久性能均明顯降低，甚至可能低于標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)熱處理后的解剖件各部位進(jìn)行晶粒度觀察，結(jié)果

表1 解剖件室溫和高溫拉伸性能及硬度Table 1 Tensile property and hardness of dissecting parts in room temperature and high temperature

表2 解剖件應(yīng)力疲勞性能和應(yīng)變疲勞性能Table 2 Stress fatigue property and strain fatigue property of dissecting parts

表3 解剖件持久性能Table 3 Stress rupture properties of dissecting parts

表明，固溶條件下，解剖件縱向各部位平均晶粒度在9.0～10.0級(jí)，滿足要求。因此鍛件固溶溫度選擇1100℃。

2.4 力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)完成1100℃固溶熱處理后的解剖件采用線切割取樣，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，試樣塊尺寸為76 mm×50 mm，為保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，每組取兩個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)試，各項(xiàng)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表1～3所示，各項(xiàng)性能均滿足要求。

3 結(jié)論

(1)采用數(shù)值模擬的方式，確定了GH4720Li盤前封嚴(yán)環(huán)鍛件的鍛造可行性及成形工藝參數(shù)，制定了成形工藝方案；

(2)根據(jù)成形工藝方案進(jìn)行鍛件試制，理化檢驗(yàn)結(jié)果表明，鍛件無(wú)損檢測(cè)及組織性能理化結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；

(3)在1100℃固溶條件下，可以得到晶粒度及力學(xué)性能均滿足要求的零件。