項春花,王光宇,林凌,張詩揚,顏開群,王攀智
貴州航宇科技發展股份有限公司 貴州貴陽 550081
GH4141大錐度噴嘴內支撐環是異形鍛件,其形狀復雜,為非對稱結構,斜度為45°~55°,采用傳統的矩形件鍛造與機械加工方法,雖然鍛造方法簡單,但對材料的利用率大大降低,又因RENE41的價格昂貴而使成本劇增[1]。因此,為提高產品的材料利用率,降低產品的鍛造成本,設計出與該產品輪廓接近的異形鍛件具有重要意義[2]。本文針對這一問題,以前期模擬試驗為基礎,設計出完整的工藝流程,經過多次鍛造后再經機械加工得出成品,并通過對比分析鍛件前后晶粒度來判斷鍛件的性能。
1)GH4141是沉積硬化型鎳基變形高溫合金,在650~950℃溫度內,具有高的拉伸和持久蠕變強度,以及杰出的抗氧化功能。與GH4169相比,G H4141使用溫度范圍更寬,廣泛適用于制造在870℃以下要求有高強度,以及在980℃以下要求抗氧化的航空航天發動機高溫零部件[3]。該鍛件的組織性能要求較高,晶粒度要求3級或更細且要求均勻,主要性能有高溫拉伸、硬度及晶粒度等。
2)該合金變形抗力大,鍛造溫度范圍更窄,若鍛造溫度低,則材料容易出現表面裂紋;若鍛造溫度高,則鍛件的性能和晶粒組織不能滿足要求,流動性較差,給鍛件成形帶來困難。
3)從鍛件形狀看,鍛件大頭外徑為869mm,小頭內徑為484mm,如圖1所示。鍛件最大位置斜度約45°,屬于大錐度形狀,需進行胎模掰形并整形,從鍛件的體積分布看(見圖2),鍛件小頭端料小,大頭端料大,故鍛件在成形過程中需進行大頭端聚料。從鍛件尺寸及中間矩形坯料壁厚考慮,考慮常規掰形方案模具數量多、火次多,且在掰形階段高度容易拉料等問題,結合以前成形方案的經驗,該鍛件在成形過程中使用定制胎膜預成形方法進行預制坯,通過大頭端面局部聚料方法成形。鍛件基礎信息見表1。
表1 鍛件基礎信息
圖1 鍛件規格尺寸
圖2 鍛件體積分布
根據鍛件形狀,初步設計鍛件生產過程為鐓粗、沖孔、矩形預軋、異形終軋和定制胎膜預成形,并對胎模掰斜聚料進行模擬,如圖3所示。
圖3 胎模成形過程模擬
從模擬情況看,坯料經過預成形工序,過程簡單,火次少,鍛件成形過程貼膜良好,尺寸滿足設計圖樣要求。
鍛件原材料采用撫順特殊鋼股份有限公司提供的Rene41高溫合金,規格為φ250mm,化學成分見表2。交付狀態為鍛造車光,試樣狀態為退火+固溶+時效態,具體性能見表3。
表2 原材料化學成分(質量分數)(%)
表3 原材料性能
1)為保證鍛件的最終晶粒度在3級或更細且晶粒均勻,鍛件的力學性能滿足相應的規范要求,將坯料的制坯加熱溫度定在1080~1120℃,成形溫度定在1000~1065℃,并且在鍛造過程中使用包套的方法,減小溫降,減少鍛造過程中裂紋的產生,為得到均勻的組織和滿足要求的力學性能提供了保障。
2)具體工藝路線:下料→鐓粗、沖孔→預軋、平端面→預軋→預軋→終軋→脹形→鍛檢→高倍檢查→預成形→鍛檢→預成形→鍛檢→預成形→鍛檢→高倍檢查→預成形→鍛檢→成形→鍛檢→高倍檢查→退火+固溶→高倍檢查→機械加工→理化檢測。
3)按上述工藝方案試制出的鍛件,其外形良好,鍛件各部位均能夠填充模具型腔,鍛件成形形狀如圖4所示。
圖4 鍛件成形形狀
4)分別在軋制完成后與成形后檢測端面晶粒度,與未鍛造前晶粒度相比,鍛件的原始晶粒度為3~6級,軋制完成后存在約60%的4.5~5級晶粒,約40%的9.5~10級細晶,鍛造過程變形較為均勻,晶粒度滿足規范要求,預成形期間,由于主要對大端面進行變形掰斜,因此大端與小端晶粒度存在差異,小端為6~7級,大端為7~8級,存在約30%的9~10級細晶,后續通過熱處理改善使鍛件整體晶粒度均勻。
5)熱處理制度如下。
退火:(1079±14)℃×(30~35)min,風冷。
固溶:(1066±14)℃×(30~35)min,風冷。
6)將成形后鍛件轉機械加工去除毛邊后,劃線檢測鍛件尺寸,具體劃線檢測要求如圖5所示,統計結果見表4。
表4 確認位置直徑(mm)
從表4可看出,與名義尺寸相比,內徑與外徑整體在名義尺寸附近偏離0~3mm,在公差范圍內,滿足工藝要求。
經機械加工后做全截面晶粒度檢測,圖6所示為大頭端與小頭端的顯微組織。從圖6可看出,大頭端晶粒度在6.5~7級,小頭端平均晶粒度在6~7級,且存在個別粗晶,約4級,原因是在鍛造過程中,小頭端變形量小,導致個別晶粒長大。但大小頭晶粒度差距不大,晶粒度均勻,且滿足規范要求。與未熱處理之前相比,細晶消除,整體晶粒度均勻,力學性能得到大幅改善。
1)從模擬情況看,坯料經過預成形工序,過程簡單,鍛件成形過程貼膜良好,尺寸滿足設計圖樣要求。
2)經過多次鍛造成形后,劃線檢測內外徑尺寸,大頭端出現內徑多肉、外徑偏小的情況,但鍛件尺寸滿足公差要求。
3)鍛件前后晶粒度變化明顯,軋制完成后晶粒度整體較為均勻且明顯細化,約60%的4.5~5級晶粒,約40%的9.5~10級細晶,力學性能因此大大提高,成形后晶粒度大頭端與小頭端相比,大頭端更細,熱處理后得以改善。
4)經機械加工后進行全截面晶粒度檢測,結果整個截面晶粒度均勻,達到6.5~7級,滿足規范要求。