劉 洋 孫朝遠(yuǎn) 陳 文 劉德建

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，四川618000)

GH4169合金是一種γ＂作為主要強(qiáng)化相的在650℃以下具有良好綜合性能的高溫合金，其產(chǎn)量約占變形高溫合金產(chǎn)量的45%，廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源等領(lǐng)域，現(xiàn)代飛機(jī)發(fā)動機(jī)上超過30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的關(guān)鍵零部件均由其制成[1-2]。相對于其他鎳基高溫合金，GH4169合金的組織性能對溫度、變形量等熱加工工藝參數(shù)十分敏感，變形量過小，晶粒無法破碎，易產(chǎn)生粗晶，變形量過大，易產(chǎn)生返熱，同樣易出現(xiàn)粗晶，通過拆分火次或調(diào)整變形參數(shù)如壓下速度等進(jìn)行控制過大變形量方面的研究較多[3- 4]，但對高溫合金鍛件的上下表面等變形量較小位置增加的研究則鮮有涉及，因此有必要在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究改善提升鍛件小變形區(qū)變形量的工藝。

1 現(xiàn)狀分析

高溫合金盤類鍛件一般采用鐓餅+模鍛的方式進(jìn)行生產(chǎn)，模鍛件變形量的大小很大程度上由餅坯鐓餅火次和模鍛火次疊加而成，由于模鍛件的設(shè)計基本根據(jù)零件而定，因此在模鍛件一定的情況下，提升餅坯上下端面的變形量可一定程度上提高鍛件上下模的變形量，因此本文著重對改善GH4169高溫合金盤類鍛件鐓餅過程上下端面變形量進(jìn)行研究。

GH4169合金在平砧上進(jìn)行常規(guī)鐓粗后，由于棒料端面的金屬受到摩擦力的影響、并且鼓肚金屬的流動會進(jìn)一步限制端面金屬的流動，因此圓餅的上、下端面均會存在變形死區(qū)，其變形量一般小于15%，如圖1數(shù)值模擬所示。變形死區(qū)的晶粒形貌和晶粒尺寸與圓餅內(nèi)部不同，晶粒未得到有效破碎并形成孿晶組織，其差異程度取決于棒料的加熱溫度、保溫時間及變形程度等熱加工參數(shù)[5]。

圖1 數(shù)值模擬Figure 1 Numerical simulation

對餅坯進(jìn)行無損檢測，中心區(qū)域噪聲水平明顯超出標(biāo)準(zhǔn)要求，組織不均勻性較為明顯，如圖2所示。

圖2 無損檢測Figure 2 Nondestructive examination圖3 試樣的取樣位置Figure 3 Sampling location

采用晶粒度為6.0級的棒料，鐓成一個餅坯，按圖1在餅坯中心取一個90 mm寬的低倍片，如圖3所示。經(jīng)腐蝕后顯示，兩端有寬度約5 cm的枝晶組織，方向沿縱向分布，在低倍試樣上為暗色區(qū)域，該區(qū)域與圖1的變形死區(qū)相對應(yīng)；鍛件心部區(qū)域也有寬度約7 cm的暗色區(qū)域，目視可見枝晶組織，但沒有方向性，該區(qū)域為鐓餅時的中心大變形區(qū)。低倍的流線狀態(tài)反應(yīng)了金屬流動的方向及組織的不均勻性。將該低倍片縱向分為5個區(qū)域，編號1～5，分別對5個區(qū)域的晶粒組織進(jìn)行評定。

端面變形死區(qū)的晶粒度為5.5～6.0級，2#、4#中等變形區(qū)域晶粒度為7.5級，中間大變形區(qū)域由于存在局部反熱，晶粒度反而為7.0級，顯微組織見圖4。該五個區(qū)域的組織狀態(tài)表明圓餅內(nèi)部因應(yīng)變與溫度的不均勻性，造成了組織的不均勻性，后續(xù)模鍛可能會改善該組織狀態(tài)，但對于輪轂區(qū)域為深型腔的鍛件，模鍛時輪轂區(qū)域也容易形成變形死區(qū)，從而進(jìn)一步加深整個鍛件的組織不均勻性。

圖4 試樣的顯微組織Figure 4 Microstructure of samples

2 試驗

2.1 試驗材料

本試驗材料采用真空感應(yīng)熔煉(VIM)+真空自耗重熔(VAR)+氬氣保護(hù)的電渣重熔(ESR)制備，試驗棒料規(guī)格為?260 mm×245 mm。棒料的主要化學(xué)成分見表1，棒料本體中心、R/2及邊緣的晶粒度見圖5，為6.0～7.0級，棒材組織均勻，未發(fā)現(xiàn)大晶粒組織。

表1 試驗棒料的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The main chemical composition of the test bar(mass fraction, %)

圖5 試驗棒料的顯微組織Figure 5 Microstructure of test bar

2.2 試驗方法

棒料上下端面各加一塊厚度為25 mm的塑性墊，與棒料一起加熱后進(jìn)行鐓餅，模擬情況及鍛件實物如圖6所示，上下鍛件變形死區(qū)的等效應(yīng)變?yōu)?～0.5，全部遺留在塑性墊上，鍛件本體的等效應(yīng)變?yōu)?.5～1.5。

圖6 模擬情況及鍛件實物Figure 6 Simulation situation and actual forging

3 試驗結(jié)果與分析

鍛件粗加工后進(jìn)行熱處理。

(1)固溶處理：970℃±10℃，保溫1 h，油冷至室溫。

(2)時效處理720℃±10℃，保溫8 h，以(50±10)℃/h速率爐冷至620℃±10℃，保溫8 h，空冷。

3.1 無損檢測

精加工后采用C掃描超聲檢測儀LS-200LP對鍛件進(jìn)行超聲水浸檢測，為了滿足平底孔當(dāng)量靈敏度及盲區(qū)要求，使用平底孔當(dāng)量為?0.4 mm標(biāo)準(zhǔn)試塊，檢測面粗糙度≤1.6 μm且在檢測前去除被檢件表面影響檢測的污垢等附著物。檢測靈敏度為?0.8 mm-80%，檢測頻率為10 MHz，采用直入射水浸法，超聲檢測的方向基本垂直于鍛件的流線方向，且達(dá)到了對整個鍛件的100%檢測。檢測結(jié)果為?0.8 mm-18 dB，鍛件組織均勻，沒有大晶粒組織存在，檢測結(jié)果如圖7所示。

圖7 鍛件檢測結(jié)果Figure 7 Test results of forgings

3.2 高倍檢測

對鍛件進(jìn)行解剖，低倍組織均勻，無明顯偏析，消除了傳統(tǒng)鐓餅方式的枝晶組織。在中心、R/2及邊緣取樣進(jìn)行晶粒度檢測，腐蝕液采用氯化銅鹽酸酒精溶液(5 g氯化銅+100 ml鹽酸+100 ml酒精)，鍛件的晶粒形貌均已是再結(jié)晶的等軸晶粒，邊緣等效應(yīng)變?yōu)?.75左右，低于中心及R/2的等效應(yīng)變?yōu)?～1.75，但晶粒度為9.0級，棒料的組織對鍛件有較為明顯的遺傳作用，見圖8。棒料鐓餅時，平砧的加熱溫度一般只能達(dá)到400℃左右，棒料的加熱溫度一般為990～1050℃。常規(guī)方法進(jìn)行鐓餅時，平砧與餅坯間存在溫度差，GH4169合金坯料與模具接觸的部位溫度會降低并形成冷模影響區(qū)；采用塑性墊進(jìn)行鐓餅時，坯料在轉(zhuǎn)運(yùn)及鐓餅的大半時間均未與平砧直接接觸，從而避免了冷模影響區(qū)的形成，從低倍及晶粒形貌上也可以看出，鍛件整體晶粒均勻細(xì)小，沒有冷模影響區(qū)的典型雙重晶粒組織。

圖8 鍛件的晶粒度組織Figure 8 Grain size of forgings

合理的δ相數(shù)量及形態(tài)是獲得GH4169合金良好綜合性能的技術(shù)關(guān)鍵，δ相數(shù)量過多會造成持久及蠕變等性能降低，δ相數(shù)量過少會造成材料具有缺口敏感性。從圖9可以看出，鍛件的δ相呈顆粒狀及短棒狀均勻分布于晶界，利于鍛件的持久性能。

3.3 力學(xué)性能測試

按圖10所示，對鍛件采用線切割方式，在邊緣弦向、R/2弦向、中心弦向及徑軸向取樣進(jìn)行室溫拉伸及650℃高溫拉伸測試，以反映鍛件不同位置、不同方向及不同晶粒大小等情況下的性能情況。檢測結(jié)果如表2所示，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并且抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的差值≤3%，各向異性不明顯。檢測鍛件中心、R/2及邊緣的硬度，結(jié)果為435～438HBW，差值很小。鍛件的持久性能如表3所示，持久試驗時間達(dá)到48 h后，每隔8 h增加應(yīng)力35 MPa，直至拉斷，持久時間為57.4 h，斷口發(fā)生在光滑部位，持久性能良好。合理的晶粒尺寸和δ相的數(shù)量是獲得GH4169合金鍛件優(yōu)良持久性能的關(guān)鍵，600℃以上時晶粒粗的鍛件顯示出晶界數(shù)量少的優(yōu)勢，會使持久性能提高，而晶粒細(xì)化一定程度上可以提高鍛件的強(qiáng)度性能。采用塑性墊進(jìn)行鐓餅時，避免了變形死區(qū)及冷模層的形成，有利于控制應(yīng)變速率以獲得合理的晶粒尺寸及δ相的分布，進(jìn)而獲得良好的性能。

表3 持久性能Table 3 Creep-rupture properties

4 結(jié)論

(1)通過研究在GH4169合金鐓餅時加裝塑性墊的鍛造方式，經(jīng)數(shù)值模擬、實物生產(chǎn)及檢測，證明消除了傳統(tǒng)鐓餅方式存在的變形死區(qū)。

(2)塑性墊的使用使坯料在轉(zhuǎn)運(yùn)及鐓餅過程中基本未與平砧直接接觸，從而避免了冷模影響區(qū)的形成，有利于控制應(yīng)變速率以獲得合理的晶粒尺寸及δ相的分布。

(3)通過加裝塑性墊方式鐓餅的鍛件，其晶粒均勻細(xì)小，δ相分布合理，無枝晶組織，并通過力學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn)，鍛件的邊緣弦向、R/2弦向、中心弦向及徑軸向的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度差值≤3%，各向異性不明顯。