隨著高端設備的快速發展,異形環軋制在石油化工、核電、風電、航空航天等領域的應用越來越廣泛,與普通環件軋制相比,異形環軋制具有成本低、產品質量高、經濟效益高等顯著優勢[1-3]。異形環軋制是一種高效且富有挑戰性的體積成形技術,相比于矩形環件軋制,異形環軋制的接觸邊界變化更復雜,軋制過程的影響因素更多,環件軋制過程也更加不穩定,但是異形環軋制卻能在復雜環截面成形過程中產生細小晶粒和連續的金屬流線,從而顯著提高異形環的性能并節省大量金屬材料,所以,異形環軋制也被作為一種先進的近凈成形技術被廣泛使用[4-6]。GH4169合金是一種沉淀強化型Ni-Cr-Fe基高溫合金,Ni質量分數約為50%~55%,Fe質量分數約為25%,其強化相以γ″相和γ′相為主[7-9],可以長時間在-253~650℃溫度區間內服役,具有良好的力學性能[10],廣泛應用于航空航天、船舶、核電等領域[11-12]。截止目前,采用GH4169合金生產最多的零部件為盤類鍛件、軸類鍛件和機匣類鍛件[13-14]。高溫合金零部件占航空發動機所使用合金材料質量的50%左右[15-16]。機匣類鍛件在發動機工作過程中具有重要的作用,不僅為空氣提供流通的通道,還對風扇葉片等內部結構起到保護和包容作用。隨著航空發展的需求,對大型一體化機匣類鍛件的需求量不斷增加,研發高質量高效率的機匣類鍛件的生產工藝對于我國航空工業的發展具有重要意義[17]。因此,本文針對GH4169合金大型異形機匣鍛件,采用近凈成形技術設計了其鍛造工藝,研究近凈成形鍛造工藝對大型異形機匣鍛件組織性能的影響,以指導實際生產。

1、實驗材料和方法

實驗所用合金材料為鍛態GH4169合金棒材,直徑為Φ300mm,合金化學成分見表1。

GH4169合金棒材符合要求。圖1a為大型異形環鍛件的粗加工圖,根據鍛件粗加工圖可以看出,該鍛件屬于大型異形環件,其結構特點為截面變化率較大,高度尺寸較大。本文采用近凈成形技術進行鍛造成形,設計了如圖1b所示的鍛件圖,單邊余量約為5mm,對截面變化率較大的過渡區域,進行了工藝優化,增加了較大的工藝圓角,保證材料具有良好的流動性;另外,通過設計高型面貼合率、壁厚尺寸較為均勻的中間坯料以保證成形過程及質量的穩定性,中間坯料如圖1c所示。根據鍛件的工藝可行性分析,大型異形環鍛件的成形工藝描述如下:下料鐓粗(滾圓)沖孔馬架擴孔(平高度)預軋胎模鍛粗加工、探傷終軋脹形熱處理理化檢測驗收入庫。采用有限元仿真模擬對大型異形環鍛件的工藝可行性、成形效果及環軋過程進行了有限元分析。采用三維掃描儀對大型異形環中間坯料和終軋鍛件實物圖進行掃描分析。

2、結果與討論

2.1大型異形環鍛件有限元分析

為了了解使用設計的近凈成形方案成形的大型異形環鍛件效果,首先,采用有限元仿真模擬對近凈成形大型異形環鍛件的成形效果、成形均勻性及鍛透性進行了有限元分析。圖2a為近凈成形方案成形的大型異形環鍛件有限元分析成形效果圖,從其尺寸中可以看出,大頭端外徑達到大型異形環鍛件要求的尺寸時,鍛件小頭端尺寸偏小且小頭外徑筋部填充不滿。圖2b為大型異形環鍛件成形后截面的等效應變分布情況,等效應變值均在0.43~0.69之間,能夠滿足大型異形環鍛件鍛透條件,且分布較為均勻。進一步分析大型異形環鍛件成形效果,小頭端偏小且填充不滿的主要原因為:坯料設計存在改進的空間,由于坯料截面變化率(斜度)較大,小頭端坯料體積分配不合理;鍛造成形過程中鍛造參數控制不當也易造成小頭端缺肉。為了驗證上述模擬結果,對大型異形環鍛件進行了試造生產。在生產試造過程中坯料壁厚均勻,但是與模具上下端型面的吻合度低,坯料體積分配存在一定的缺陷,在軋制過程中出現了小頭端尺寸偏小且法蘭邊區域填充不滿的現象(圖2c)。為了保證鍛件外形尺寸滿足客戶要求,需要進一步對中間坯料進行優化,并開展有限元分析,為生產實踐提供參照依據。

2.2大型異形環鍛件軋制過程分析

圖3為實際中間坯料和終鍛件的三維掃描尺寸與其理論設計尺寸的對比圖,其中,虛線表示理論設計尺寸、實線表示實際尺寸。由圖3a可以看出,實際鍛造時坯料的內徑較大,小頭端即使使用了沖頭脹形,仍難以形成預想的形狀,僅脹開了很小的角度。大頭端部分考慮到實際存在的拔模斜度,大頭端吻合較好。由于中間坯料在脹形之后進行了平高度,故高度與設計的中間坯料尺寸一致。由圖3b中可以看出,終鍛件存在小頭端尺寸偏小的現象,即實際鍛件大頭端內徑與小頭端內徑不匹配。根據《環件軋制理論和技術》[18]所述的咬入和塑性穿透條件,環件轉動表明環件軋制滿足咬入條件,而環件直徑擴大是因為塑性變形區穿透環件壁厚,因而產生周向伸長和直徑擴大的塑性變形。通過有限元分析,重現軋制過程,如圖4所示,具體過程如下:開始軋制前,坯料放入軋制模具,可以看出坯料高度明顯低于軋制模具高度。軋制開始階段,整體坯料上爬至上蓋板處,隨著軋制的進行,坯料發生傾斜,與主輥接觸的部分向上傾斜,與錐輥接觸的部分向下傾斜(坯料與下錐輥接觸)。軋制進入塑性穿透階段后坯料仍然傾斜,且隨著坯料的外徑增大、高度增高,坯料各部位進行相應填充;當坯料高度增加至一定高度時,坯料的上端面會一直頂在上錐輥直至軋制完成。從上述軋制過程可以看出,造成終鍛件實際尺寸與理論尺寸不一致的原因在于:(1)坯料高度較低;(2)坯料與模具接觸部分較少,軋制過程中容易產生扭動;(3)坯料在軋制過程中由于扭動,被設備強制壓制,在錐輥抬輥后扭力釋放而產生變形。從最終成形的有限元分析及成形條件來看,直至鍛件成形,主輥與坯料、芯軸與坯料基本是保持接觸的。并且模具是根據最終鍛件設計的,理論上軋制成形的鍛件應該與鍛件圖要求的尺寸一致,但實際上大頭端或小頭端尺寸不匹配。從中間過程看,由于坯料與模具不匹配,在進入塑性穿透前,因芯軸直線進給使坯料發生傾斜(有限元分析時坯料未受到上蓋板限制),坯料大頭端(靠近主輥處)受到蓋板給坯料一個向下的力(蓋板為固定通用模具,坯料在軋制過程中向上運動,蓋板給坯料一個向下的力),阻止其向上運動,同時,坯料小頭端(下錐輥處)受到下錐輥給坯料一個向上的力,阻止其向下運動。在這種情況下,坯料所受力以芯軸某點為支點,受到兩個作用力,在軋制的最后,坯料進入整形階段,錐輥上抬,芯軸直線進給大大減少,使原來所受力(認為是彈性變形)被釋放,鍛件發生彈性變形,大頭端直徑增大,小頭端直徑縮小,造成鍛件不匹配。從圖3中的掃描對比結果可知,理論坯料與實際坯料形狀差異明顯。究其原因是有限元仿真模擬時,生產工藝和生產設備是在理想狀態下的,所以理論坯料形狀、尺寸與仿真模擬的結果基本一致。然而,鍛件在實際生產過程中需要充分考慮生產設備能力及工況條件。綜上所述,理論坯料與實際坯料形狀存在差異是未充分考慮實際生產過程中設備能力及工況條件造成的。

2.3大型異形環鍛件試造生產

根據大型異形環鍛件近凈成形設計方案和貴州安大航空鍛造有限責任公司設備力能狀況,設計并制造了如圖5所示的近凈成形大型異形環鍛件的軋制模具,并在1800mm環軋設備上進行了鍛造生產。近凈成形中間坯料及大型異形環鍛件實物圖分別如圖6a和圖6b所示。由于坯料壁厚尺寸較大,且在脹形過程中未設計胎模,坯料外圓周區域坯料處于自由流動狀態,填充情況無法保證,故大頭端出現明顯的拉料現象。坯料與主輥接觸的型面貼合率降低,在一定程度上影響了鍛件軋制成形的穩定性。而采用圖6a坯料進行軋制生產,得到圖6b所示的鍛件,成形后的大型異形環鍛件除了小頭端填充情況欠佳,其余區域的填充情況和形狀貼合率均較好。

2.4　型異形環鍛件組織及性能

大型異形環類鍛件屬于關鍵重要件,對組織性能均勻性要求較高。經過理化分析,低倍組織中未見暗腐蝕區、白斑或淺腐蝕區,條帶偏析及其他缺陷;高倍組織中碳化物和碳氮化物符合鍛件驗收標準,δ-Ni3Nb相2級,未見laves相,晶粒尺寸為8級,符合大型異形環鍛件高低倍組織驗收標準要求。而該大型異形環鍛件的理化性能通過獨立試環替代鍛件本體性能,在一定程度上可能存在偏差。為了進一步分析鍛造工藝過程中內部組織的演變規律,在解剖鍛件上選取了具有代表性的16個位置(圖7),其高倍組織如圖8所示。從圖8可以看出,不同位置的晶粒度基本一致,具體為1、9和16位置的晶粒度為7級,2、3、4、5、6、7、8、10、11、12、13、14和15位置的晶粒度為8級。平均晶粒度為8級,滿足某型號GH4169合金大型異形環鍛件高倍組織驗收要求。近凈成形鍛件由于壁厚很薄,在鍛造過程中容易產生徑向鍛透,但其變形均勻,容易獲得均勻細小的再結晶組織。鍛件組織均勻細小,對提高大型異形環鍛件在復雜服役環境下的壽命具有顯著作用[14]。表2為近凈成形大型異形環鍛件的理化測試性能(弦向),分別使用兩組獨立試環(編號1、編號2)進行室溫拉伸、高溫拉伸和持久性能測試。測試可得,室溫拉伸下的抗拉強度Rm分別為1434和1447MPa,屈服強度ReL分別為1201和1214MPa,斷后伸長率A均為18.5%,斷面收縮率Z均為39%,硬度值分別為409和420HBW;試樣斷口為光滑斷裂。在室溫下,Rm≥1275MPa,ReL≥1035MPa,A≥12%,Z≥15%,硬度值在346~450HBW,滿足某型號GH4169合金大型異形環鍛件室溫力學性能驗收要求。

在650℃保溫20min時進行高溫拉伸,抗拉強度Rm分別為1170和1180MPa,屈服強度ReL分別為1020和1030MPa,斷后伸長率A分別為28.5%和32.5%,斷面收縮率Z分別為65%和64%。在650℃下,Rm≥1000MPa,ReL≥860MPa,A≥12%,Z≥15%時,滿足某型號GH4169合金大型異形環鍛件650℃高溫力學性能驗收要求。在650℃和690MPa下進行持久性能測試,實驗時間分別為78.4和82.6h,斷后伸長率分別為50.8%和34.8%。在650℃和690MPa下,實驗時間≥25h,A≥5%時,滿足某型號GH4169合金大型異形環鍛件高溫持久性能驗收要求。

3、結論

(1)近凈成形工藝可以獲得細小均勻的晶粒,環鍛件組織均勻性較好,晶粒度為在7~8級,平均晶粒度為8級。

(2)近凈成形工藝大型異形環鍛件表現出優異的力學性能。室溫拉伸抗拉強度為1447MPa,屈服強度為1214MPa,斷后伸長率為18.5%,斷面收縮率為39%;650℃(保溫20min)高溫拉伸抗拉強度為1180MPa,屈服強度為1030MPa,斷后伸長率為32.5%,斷面收縮率為64%。

(3)通過對實際鍛件進行三維掃描,在與實際鍛造過程基本一致的條件下使用有限元分析能對鍛件成形過程進行可視化展示,判斷鍛造過程中存在的問題,進而優化工藝,為后續生產產品提供參考依據,為提高產品質量奠定基礎。

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