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        GH4698 高溫合金“U”形模鍛件的鍛造成形工藝研究

        2023-11-06 09:05:20曹玉如操貽高史占奎馮曉花李亙西安三角防務(wù)股份有限公司
        鍛造與沖壓 2023年19期
        關(guān)鍵詞:模鍛流線外形

        文/曹玉如,操貽高,史占奎,馮曉花,李亙·西安三角防務(wù)股份有限公司

        本文從GH4698 高溫合金棒材復(fù)驗情況、鍛件設(shè)計、成形工藝參數(shù)控制、數(shù)值模擬、試制生產(chǎn)等方面,研究了GH4698高溫合金“U”形模鍛件成形的工藝路線,并對組織和力學(xué)性能進(jìn)行了檢測。結(jié)果表明,采用“U”形模鍛件設(shè)計,大斜度沖頭,成形時控制等效應(yīng)變在0.6 以上,是同類型GH4698 高溫合金模鍛件獲得組織均勻、力學(xué)性能達(dá)標(biāo)的重要因素。

        GH4698 高溫合金是以γ'相為強(qiáng)化相的鎳基高溫合金,主要強(qiáng)化元素為鋁、鈦、鉬、鈮等。該材料具有良好的高溫綜合性能,使用溫度為750℃~800℃,在此溫度范圍內(nèi)可長期穩(wěn)定工作,不被氧化,因此被廣泛用于航空發(fā)動機(jī)渦輪盤、燃?xì)廨啓C(jī)渦輪盤、盤軸連接等關(guān)鍵部位,可承受復(fù)雜載荷、高溫、高轉(zhuǎn)速等惡劣環(huán)境。在生產(chǎn)實踐中,由于GH4698 合金化程度高,變形抗力大,鍛造溫度區(qū)間窄,發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶的條件苛刻,使得大型模鍛件的加工成形更加困難,同時存在鍛件易開裂,組織性能不穩(wěn)定的問題,尤其是高溫持久和沖擊性能指標(biāo),經(jīng)常難以滿足指標(biāo)要求。

        為解決該問題,本文從GH4698 高溫合金棒材復(fù)驗情況、鍛件設(shè)計、成形工藝參數(shù)控制、數(shù)值模擬成形、試制生產(chǎn)等方面進(jìn)行了分析研究,以期獲得一種生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定、組織性能、表面質(zhì)量良好的模鍛成形工藝。

        試驗材料及方法

        原材料復(fù)驗情況

        ⑴試驗用材料采用棒材規(guī)格為φ300mm,熔煉方法為真空感應(yīng)+真空自耗?;瘜W(xué)成分詳見表1,低倍組織如圖1 所示,低倍組織無肉眼可見的縮孔痕跡、空洞、裂紋、分層、夾渣、夾雜物、偏析、殘余鑄態(tài)組織;純潔度符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14999.6-2010 規(guī)定的B 類評級圖的2 級。合格。

        表1 GH4698 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        圖1 熔檢試樣低倍

        ⑵晶粒度為3 級,具體見圖2,力學(xué)性能見表2、表3、表4,經(jīng)檢測,原材料力學(xué)性能均合格,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

        表2 室溫性能數(shù)據(jù)

        表3 高溫拉伸性能數(shù)據(jù)

        表4 高溫持久性能數(shù)據(jù)

        圖2 熔檢試樣高倍

        ⑶探傷:該棒材經(jīng)超聲波檢測,未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)反射信號,φ3.2mm 平底孔。

        鍛件設(shè)計及數(shù)值模擬

        ⑴鍛件設(shè)計方案成本對比分析。

        針對粗加工交付件外形輪廓,結(jié)合材料GH4698 的特性,以及400MN 液壓機(jī)的設(shè)備能力,本文設(shè)計了兩種模鍛件外形方案。其二維截面示意圖如圖3、圖4 所示( 其中紅色部分為粗加工交付件二維截面圖)。

        圖3 "H"形模鍛件截面

        圖4 "U"形模鍛件截面

        圖3 中“H”形模鍛件所用原材料的重量為360kg,圖4 中“U”形模鍛件所用原材料的重量為340kg,故從成本方面看,采用圖4 中“U”形模鍛件設(shè)計方案更加合理。

        ⑵DEFORM 數(shù)值模擬成形對比分析。

        鍛件流線走向如圖5、圖6 所示。從圖5 中可以看出,在上模向下移動的過程中,金屬材料向上下模型腔填充,在分流過程中呈現(xiàn)出“漩渦”狀。從圖6可以看出,在上模沖頭向下移動過程中,金屬材料的流動方向相對較為單一,即隨著毛邊方向流動,流線比較順暢。由此可以看出圖6 采用的“U”形模鍛件的流線較為理想。

        圖5 "H"形模鍛件流線

        圖6 "U"形模鍛件流線

        載荷預(yù)測如圖7、圖8 所示。從圖7 中可以看出,“H”形模鍛件模擬預(yù)測的壓力載荷為230MN;從圖8 中可以看出,“U”形模鍛件模擬預(yù)測的壓力載荷為247MN;兩種模鍛件設(shè)備所需提供的壓力載荷基本相差不多,且均在400MN 液壓機(jī)的壓力能力范圍內(nèi)。因此,從預(yù)測壓力載荷角度看,兩種模鍛件均可以采用,均可在400MN 液壓機(jī)上進(jìn)行鍛造。

        圖8 "U"形模鍛件載荷模擬預(yù)測

        溫度場分布如圖9、圖10 所示。從圖9、圖10中可以看出,“H”形模鍛件和“U”形模鍛件模鍛完成后溫度場較均勻,溫度范圍1000℃~1120℃。兩種模鍛件均可以進(jìn)行生產(chǎn)試制。

        圖9 "H"形模鍛件溫度場

        圖10 "U"形模鍛件溫度場

        應(yīng)變場分布如圖11、圖12 所示。從圖11 中可以看出,“H”形模鍛件完成模鍛后,粗加工交付件區(qū)域的等效應(yīng)變范圍集中在0.375 ~1。而從圖12可以看出“U”形模鍛件完成模鍛后,粗加工交付件區(qū)域的等效應(yīng)變范圍集中在0.625 ~1,且大部分較均勻。故從應(yīng)變場分布的情況看,“U”形模鍛件等效應(yīng)變較好,分布較均勻,相對理想。

        圖11 "H"形模鍛件應(yīng)變場

        圖12 "U"形模鍛件應(yīng)變場

        綜合來看,“U”形模鍛件適合進(jìn)行試制生產(chǎn)。

        沖頭外形設(shè)計對比分析

        在確認(rèn)采用“U”形模鍛件外形后,需選擇合適的沖頭外形。這是由于在生產(chǎn)過程中,鍛件完成模鍛后,冷卻時發(fā)生收縮,存在鍛件將沖頭包裹,以致于鍛件無法脫模的風(fēng)險較大。從圖13、圖14 中可以看出,A沖頭外圓面為球形,B沖頭則是大角度拔模斜度,A 沖頭在鍛件出模時產(chǎn)生的阻力大于B 沖頭的阻力。故B沖頭被鍛件包裹、鍛件無法脫模的風(fēng)險大大降低,宜選用B 沖頭進(jìn)行試制生產(chǎn)。

        圖13 A 沖頭

        圖14 B 沖頭

        試制工藝參數(shù)

        鍛造設(shè)備:400MN液壓機(jī);鍛件坯料噴涂潤滑劑,并包裹高溫棉,在1120℃下保溫加熱;出爐轉(zhuǎn)移時間不大于45s;鍛壓速度為5mm/s;終鍛溫度不小于1000℃。

        理化檢測結(jié)果及分析

        對“U”形模鍛件按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行3 階段熱處理制度:1120℃×8h,空冷;1000℃×4h,空冷;700℃×16h,空冷。隨后進(jìn)行組織、性能測試。

        ⑴低倍:“U”形模鍛件低倍無肉眼可見的縮孔痕跡、裂紋、分層、夾渣、夾雜物、偏析、殘余鑄態(tài)組織,低倍晶粒尺寸不大于1.5mm。合格。

        ⑵力學(xué)性能:對鍛件進(jìn)行熱處理后的力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表5、表6、表7。

        表5 室溫性能數(shù)據(jù)

        表6 高溫拉伸性能數(shù)據(jù)

        表7 高溫持久性能數(shù)據(jù)

        經(jīng)檢測,“U”形模鍛件力學(xué)性能均合格,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

        ⑶探傷。

        熱處理前探傷:φ1.2mm平底孔,底波損失-6dB。

        熱處理后探傷:φ1.2mm 平底孔,無缺陷顯示。

        “U”形模鍛件探傷合格。

        結(jié)果分析

        通過前期DEFORM 數(shù)值模擬,設(shè)計了合理的鍛件外形,確保了鍛件的流線和成形。合理分配變形量,各個部位等效應(yīng)變控制在0.6 ~1,有利于鍛件的組織均勻、性能符合指標(biāo)要求。

        通過觀察低倍組織,基本均勻一致,說明各個部位的變形量基本一致。

        通過設(shè)計合理的沖頭外形,不僅保證了鍛件的順利出模,也保證了生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

        結(jié)束語

        利用DEFORM數(shù)值模擬對鍛件外形設(shè)計的合理性進(jìn)行了評估分析,通過流線及成形控制對比,優(yōu)化了鍛件設(shè)計,指導(dǎo)并確定了試驗件成形的工藝參數(shù)。通過設(shè)計合理的沖頭外形,不僅保證了鍛件的順利出模,同時有效保證了鍛件的組織和力學(xué)性能,尤其是沖擊和高溫持久性能指標(biāo)達(dá)到產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求,對今后生產(chǎn)相似產(chǎn)品有重要意義。

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