渦輪轉(zhuǎn)子用GH4141高溫合金鍛造工藝研究
液體火箭發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子工作環(huán)境一般比較惡劣一溫度高、轉(zhuǎn)速高、氣動沖擊大等。某型液體火箭發(fā)動機(jī)工作時(shí)渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)30000rpm，渦輪腔燃?xì)鉁囟雀哌_(dá)1123K。為了增加渦輪轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度以及保證輪盤和轉(zhuǎn)動軸連接簡單、可靠，渦輪轉(zhuǎn)子可采用一體化結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)子葉柵與輪盤一體，同時(shí)傳動軸與輪盤一體。結(jié)構(gòu)上就顯得盤軸外徑尺寸差異大，采用棒料直接機(jī)械加工不太現(xiàn)實(shí)，也不經(jīng)濟(jì)，一般采用整體鍛造而成。因此渦輪轉(zhuǎn)子的鍛造工藝將是轉(zhuǎn)子機(jī)械性能的關(guān)鍵因素，一旦機(jī)械性能不合格，就會出現(xiàn)葉片斷裂、輪盤龜裂等故障，造成發(fā)動機(jī)不能正常工作，直接導(dǎo)致發(fā)射任務(wù)失敗。
GH4141材料的本身特性決定了其鍛造加工溫度范圍窄，變形抗力大，因此確定科學(xué)合理的鍛造工藝，確保工作可靠，降低產(chǎn)品廢品率，節(jié)省生產(chǎn)成本有著重要意義。
1高溫合金GH4141的化學(xué)成分和機(jī)械性能指標(biāo)
高溫合金GH4141使用要求的機(jī)械性能指標(biāo)見表1。
2鍛造基本原理
塑性材料南開始變形直至破壞分為三個(gè)階段：彈性變形、塑性變形、破裂。彈性變形發(fā)生在變形的初期階段，塑性變形是變形的第二階段。當(dāng)塑性變形達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，金屬的連續(xù)性和完整性被破壞，發(fā)生裂紋或斷裂。鍛造就是利用金屬加熱到高溫所具有的塑性，使之變形到規(guī)定的形狀而不產(chǎn)生破裂。
金屬的塑性變形微觀上是晶體的塑性變形，晶體有單晶體和多晶體，通常使用的金屬大都是多晶體，是由大量的形狀、體積和晶格方位不同的晶粒所構(gòu)成的晶體。各個(gè)晶粒間的晶界呈犬牙交錯(cuò)狀態(tài)，每個(gè)晶粒內(nèi)部的變形都在晶界上受到晶界雜質(zhì)和相鄰晶粒的阻礙，變形抗力大。同樣成分的金屬，晶粒愈細(xì)，變形抗力愈大，強(qiáng)度亦愈高。同時(shí)，由于各個(gè)晶粒的晶格位向不同，塑性變形并不是在所有晶粒內(nèi)同時(shí)和相同程度地發(fā)生著，而是首先在那些最有利于發(fā)生滑移的晶粒內(nèi)發(fā)生，因而，晶粒越細(xì)塑性變形就越均勻地分布在更多的晶粒內(nèi)，塑性越好，使金屬能承受更大的整體變形而不會破裂。
金屬高溫下發(fā)生塑性變形時(shí)，晶粒在滑移面附近發(fā)生晶格畸變和晶粒破碎，在高溫下原子的擴(kuò)散速度很大，原子排列首先趨向正常，這個(gè)過程為回復(fù)，回復(fù)只能消除品格畸變，不改變晶粒的形狀和大小，也不能消除破碎的晶粒。隨著原子活動能力進(jìn)一步增強(qiáng)，破碎和變形的晶粒就以碎晶塊為核心成長為新的細(xì)小晶粒，這個(gè)過程稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶后晶粒得到細(xì)化，塑性改善，可繼續(xù)進(jìn)行鍛造。一般隨著鍛造進(jìn)行，金屬溫度快速降低，塑性隨之變差，同時(shí)再結(jié)晶速率也會快速降低，此時(shí)如果繼續(xù)使之發(fā)生變形，變形抗力增大，會出現(xiàn)破裂。可再次加熱，提升溫度，同時(shí)充分發(fā)生再結(jié)晶，改善塑性。然而如果再結(jié)晶過程中，金屬的溫度繼續(xù)升高，則再結(jié)晶后晶粒就會聚集長大，發(fā)生二次再結(jié)晶，使材料的性能變差。
3影晌金屬塑性的因素
除了金屬本身的化學(xué)成分和組織狀態(tài)對其塑性有重大影響外，還受以下條件影響。①變形溫度。一般塑性變形的溫度越高，則再結(jié)晶的速度越快，塑性越好，可改善金屬的鍛造性能。但是，變形溫度過高，晶粒長大，塑性則急劇下降。②應(yīng)變速率。即單位時(shí)間內(nèi)的相對變形程度。隨著應(yīng)變速率的增加，回復(fù)和再結(jié)晶不能及時(shí)克服加工硬化的作用，使塑性下降。因此，對于本質(zhì)塑性較差的材料，應(yīng)采取較低的應(yīng)變速率，通過多次鍛造，每次回爐時(shí)，通過回復(fù)和再結(jié)晶，使塑性改善。③應(yīng)力狀態(tài)。金屬在經(jīng)受不同的法變形時(shí)，其內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)也不同。例如，擠壓時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)是三向壓應(yīng)力；拉拔時(shí)則為兩個(gè)方向受壓，一個(gè)方向受拉；自由鍛時(shí)坯料上下同部位的應(yīng)力狀態(tài)不完全相同。壓應(yīng)力使金屬質(zhì)點(diǎn)間趨向緊密，拉應(yīng)力則使它們趨向分離而易導(dǎo)致破裂。因此在三個(gè)方向的應(yīng)力中壓應(yīng)力的數(shù)目越多，金屬的塑性越好。但是，在壓應(yīng)力作用下變形時(shí)，金屬內(nèi)部的摩擦力增大，變形抗力增加。
4鍛造對金屬組織和性能的影響
鍛造不僅可以使金屬改變形狀，還可使其內(nèi)部組織發(fā)生如下變化，從而影響材料的機(jī)械性能。①材料內(nèi)部空洞性缺陷，如疏松、微裂紋等缺陷，在鍛造壓應(yīng)力作用下可以壓實(shí)直至焊合。改善組織致密性。②細(xì)化晶粒，鍛造時(shí)粗大的晶粒在巨大的壓應(yīng)力作用下得到充分的破碎。經(jīng)過再結(jié)晶后重新形成晶粒，形成晶粒的大小與變形溫度和變形程度有關(guān)。一般地，在達(dá)到一定的變形程度后變形溫度越低，晶粒越細(xì)。③形成纖維組織。鍛造金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，金屬內(nèi)部非金屬夾雜物沿著變形方向呈帶狀或鏈狀分布。這種組織稱為纖維組織。纖維組織的形成使金屬的機(jī)械性能出現(xiàn)方向性，沿纖維方向的塑性和韌性高于垂直纖維方向。但金屬的強(qiáng)度在兩個(gè)方向上差別不大。
5GH414l材料渦輪轉(zhuǎn)子毛坯的鍛造工藝研究
5.1鍛料情況
鍛料如圖1所示，圖1中的左圖為鍛造前毛料圖，右圖為鍛造后毛坯圖。
5.2原有鍛造工藝
GH4141材料晶界結(jié)構(gòu)屬多晶體結(jié)構(gòu)，具有合金化程度高，高溫下機(jī)械性能好，變形抗力大、塑性低等特點(diǎn)。由圖l可見，毛坯狀態(tài)比毛料狀態(tài)中心輪盤直徑增加了一倍多，軸徑縮小近一倍，材料變形很大。而渦輪工作環(huán)境要求轉(zhuǎn)子具有好的高溫性能，相應(yīng)的鍛造工藝要求也高。
原有的簡要鍛造工藝見表2。
采用界于自由鍛和模鍛之間的半模鍛?？紤]到鍛造前后毛坯結(jié)構(gòu)的巨大變化，不可能通過一次鍛造使形狀到位。整個(gè)鍛造過程分3個(gè)階段，包括拔軸、墩盤、拔軸。使用兩套模具，各分上、下模。第一、第1鍛拔軸使用一套，第二鍛墩盤使用一套。模具簡圖見圖2。
第一鍛進(jìn)行兩側(cè)軸的鍛造，在鍛造過程由于材料與環(huán)境的熱交換使其溫度下降，塑性降低，不宜繼續(xù)進(jìn)行鍛造，將材料回爐重新加熱后進(jìn)行第二鍛墩盤，變形滿足要求后回爐重新加熱后進(jìn)行第三鍛拔軸。
經(jīng)過該鍛造丁藝成形后，材料中如疏松、微裂紋等缺陷得到消除，改善了組織致密性。鍛造所形成的纖維組織的方向與實(shí)際工作中受力情況相適應(yīng)，滿足要求。同時(shí)采用半模鍛，金屬內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)相對較好。而實(shí)際鍛造出的產(chǎn)品合格率低，批次穩(wěn)定性差，產(chǎn)品成本高，下面主要從影響鍛造性能的其余兩個(gè)方面進(jìn)行分析。
從鍛造溫度上分析，經(jīng)過早期丁藝摸索，GH4141材料在接近1110℃時(shí)晶粒會急劇長大，1120℃以上時(shí)晶粒度變化不大。第一鍛加熱爐溫度為1120℃，鍛件處于晶粒長大溫度區(qū)域，鍛造時(shí)軸上粗大的晶粒在巨大的壓應(yīng)力作用下得到充分的破碎。再經(jīng)過第二鍛、第三鍛的回爐加熱，由于溫度1120℃略超出了晶粒急劇長大溫度，軸上破碎的晶粒在經(jīng)過回復(fù)和再結(jié)晶后部分晶粒會發(fā)生二次再結(jié)晶，但在第三鍛時(shí)軸上的晶粒在巨大的壓應(yīng)力作用下又得到了充分的破碎。在后續(xù)專門的熱處理工藝中得到回復(fù)和再結(jié)晶，晶粒細(xì)化，以使軸的強(qiáng)度滿足要求。第二鍛后在進(jìn)行第三鍛時(shí)，由于爐溫偏高，輪盤上破碎的晶粒在經(jīng)過回復(fù)和再結(jié)晶后部分晶粒會發(fā)生二次再結(jié)晶，使輪盤的機(jī)械性能有所降低。而在實(shí)際操作中各鍛件的保溫時(shí)間略有差異，導(dǎo)致各鍛件晶粒中出現(xiàn)二次再結(jié)晶程度有差異，嚴(yán)重二次再結(jié)晶的鍛件會使材料性能不合格。輪盤機(jī)械性能合格和不合格所對應(yīng)的晶粒度見圖3。
從應(yīng)變速率上分析，共用三鍛，每輪變形速率偏大，GH4141高溫合金本身高溫下塑性低，變形抗力大，會造成每輪鍛造操作時(shí)間較長。尤其是輪盤直徑由φ90mm-φ185mm只經(jīng)一次墩盤，變形過大，鍛造中隨著材料與環(huán)境的熱交換導(dǎo)致溫度降低，材料塑性變差，在大的鍛造應(yīng)力作用下增大了發(fā)生破裂的可能性。另外，從操作方便程度上分析，表面上看僅用3輪鍛造便完成了鍛造成型，似乎操作工作量小。實(shí)際上考慮到每輪鍛造時(shí)材料與環(huán)境的熱交換導(dǎo)致溫度降低，塑性變差，這就要求操作人員在盡可能短的時(shí)間內(nèi)使材料的變形達(dá)到要求，操作難度大。
5.3改進(jìn)后的鍛造工藝
鑒于原有鍛造工藝種種缺點(diǎn)所導(dǎo)致鍛造廢品率較高，批次一致性較差等原因，對原有的鍛造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的簡要工藝見表3。采用半模鍛造，將整個(gè)鍛造過程分為五個(gè)鍛造階段，共使用三套模具，各分上、下模。前兩鍛拔軸，使用一套。第三、第四鍛墩盤，使用一套。第五鍛拔軸，使用一套。
第一鍛進(jìn)行兩側(cè)軸的鍛造，通過在模具上刻線來控制變形量，滿足要求后將材料回爐重新加熱進(jìn)行第二鍛拔軸，使用同樣方法控制變形，之后將材料回爐加熱進(jìn)行第三鍛墩盤，使用限位環(huán)來控制變形量，之后將材料回爐加熱進(jìn)行第四鍛墩盤，靠模具本身形狀控制變形，之后將材料回爐加熱進(jìn)行第五鍛拔軸，模具上刻線來控制變形量。前四鍛鍛造爐溫為1130℃，第五鍛鍛造前爐溫為1040℃。
該工藝?yán)^承原有工藝中鍛造后形成的纖維組織的方向與實(shí)際下作中受力情況相適應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)仍采用半模鍛，保持了金屬內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)相對較好的特點(diǎn)。改進(jìn)后的工藝影響分析如下：從鍛造溫度上分析，前四鍛爐溫為1130℃，第五鍛爐溫為1040℃。第一鍛、第二鍛拔軸，軸上晶粒在兩次巨大的鍛造壓應(yīng)力作用下均得到充分的破碎。之后均經(jīng)過回復(fù)和再結(jié)晶，由于溫度為1130℃，高于晶粒急劇長大溫度，保溫時(shí)間為15～25min，一部分晶粒會發(fā)生二次再結(jié)晶，但在第五鍛拔軸時(shí)軸上的晶粒在巨大的壓應(yīng)力作用下又得到了充分的破碎。在后續(xù)專門的熱處理工藝中又得到回復(fù)和再結(jié)晶，晶粒細(xì)化，以使軸的強(qiáng)度滿足要求。第三、第四鍛墩盤過程中輪盤上粗大的晶粒在巨大的鍛造壓應(yīng)力作用下得到充分的破碎。由于第五鍛爐溫僅為1040℃，低于ll10℃晶粒會急劇長大溫度，保溫過程中輪盤上晶粒只發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，不會出現(xiàn)二次再結(jié)晶，晶粒不會長大。整個(gè)鍛造過程溫度合理，無論是軸上的還是輪盤上的晶粒均得到了細(xì)化，避免了二次再結(jié)晶發(fā)生，保證了強(qiáng)度。
從應(yīng)變速率上分析，分為五次鍛造，使變形速率降低，較好地適應(yīng)了GH4141高溫合金高溫下塑性低、變形抗力大的特點(diǎn)，避免了發(fā)生破裂的可能性。同時(shí)由于變形速率降低，操作人員有較充分的時(shí)間來操作，降低了操作人員的工作強(qiáng)度。
改進(jìn)后的鍛造工藝很好地解決了原有工藝的缺點(diǎn)，可操作性強(qiáng)。產(chǎn)品合格率得到大大提高，批次穩(wěn)定性好，節(jié)約了成本。
6結(jié)論
依據(jù)鍛造原理，從影響金屬塑性的因素以及鍛造對金屬組織和性能的影響等方面，對原有的GH4141材料渦輪轉(zhuǎn)子毛坯的鍛造工藝和改進(jìn)后鍛造工藝進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：
1)原有的鍛造T藝中輪盤處晶粒存在二次再結(jié)晶的可能，導(dǎo)致部分晶粒粗大，材料性能下降；改進(jìn)后的鍛造工藝，輪盤和軸中晶粒不存在二次再結(jié)晶問題，有效保證了強(qiáng)度要求。
2)原有的鍛造工藝中，每次鍛造變形速率偏大，在大的鍛造應(yīng)力作用下增大了發(fā)生破裂的可能性。改進(jìn)后鍛造工藝變形速率降低，避免了破裂的發(fā)生。
3)原有的鍛造工藝對操作人員的技術(shù)水平要求高，操作難度大。改進(jìn)后鍛造工藝降低了操作人員的難度。
4)改進(jìn)后鍛造工藝產(chǎn)品合格率高，可操作性強(qiáng)，批次穩(wěn)定性好，節(jié)約了成本。
