航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片工作溫度高、受力工況復(fù)雜、服役環(huán)境惡劣，工作時(shí)主要受離心力、氣動(dòng)力、熱應(yīng)力、交變力等多種負(fù)荷，對(duì)材料的疲勞性能要求較高。此類(lèi)葉片往往型面復(fù)雜，具有較大的曲率半徑和扭轉(zhuǎn)角度，是典型的復(fù)雜薄壁異形零件[1-2]，對(duì)成形尺寸精度要求高，生產(chǎn)工藝路線長(zhǎng)，制造難度大[3]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片的制備技術(shù)先后經(jīng)歷了純機(jī)加工、普通模鍛、半精鍛到精鍛的發(fā)展歷程[4]。
精鍛技術(shù)是在普通模鍛技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種精密成形技術(shù)，可使葉身精確成形[5]，葉身型面和緣板內(nèi)側(cè)無(wú)須加工，這在很大程度上減少了機(jī)械加工量[6]，該技術(shù)被喻為“綠色制造”。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，全球采用該方法生產(chǎn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片已占到生產(chǎn)總量的80%左右[7-8]。經(jīng)過(guò)精鍛成形后，葉片尺寸精度高、內(nèi)部組織均勻，其抗疲勞性及使用壽命顯著提高[9]，因此，精鍛技術(shù)已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造的主流工藝。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料的發(fā)展趨勢(shì)是高性能化（如輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模、抗氧化等）和低成本化[10]。先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了高溫合金的快速發(fā)展[11]，高溫合金具有較好的熱強(qiáng)性、抗腐蝕性和長(zhǎng)時(shí)組織穩(wěn)定性[12]，已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片的主要選材[13-15]。GH4169是目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)上用量最大的變形高溫合金，它主要由δ相、γ″相、γ′相及碳化物強(qiáng)化而成[16]，具有良好的高溫強(qiáng)度、耐蝕性能、熱加工性能及焊接性能，被廣泛用于制備變形渦輪盤(pán)、軸、環(huán)、機(jī)匣、葉片及緊固件等零件[17-18]。目前，有關(guān)GH4169合金用于制備盤(pán)軸類(lèi)大型鍛件的研究較多，主要集中在鍛造溫度、應(yīng)變速率、熱處理以及析出相分析等方面[19-20]。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力的增大，對(duì)葉片的性能要求也逐漸提高，要求葉片鍛件流線不能外露，普通模鍛技術(shù)難以滿(mǎn)足該要求，從而助推了葉片精鍛技術(shù)的發(fā)展[21]。葉片精鍛成形工藝可保持金屬流線連續(xù)，增加了葉片的強(qiáng)度和承載能力、提高了葉片的性能，同時(shí)由于加工量少，從而節(jié)約了材料，解決了復(fù)雜薄型葉片難加工的困難[22]。本文主要以航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)第7級(jí)轉(zhuǎn)子葉片為研究對(duì)象，采用精鍛成形工藝，對(duì)鍛造過(guò)程中出現(xiàn)的葉片腐蝕條帶組織進(jìn)行研究，揭示了腐蝕條帶的形成原因并提出了預(yù)防措施，以期為后續(xù)GH4169合金精鍛葉片的制造提供工程支撐。
1、試驗(yàn)
試驗(yàn)用原材料為直徑20mm的國(guó)產(chǎn)GH4169高溫合金棒材。壓氣機(jī)第7級(jí)轉(zhuǎn)子葉片經(jīng)過(guò)擠壓、鐓頭、預(yù)鍛和終鍛4步主要工序制備而成，主要成形方式如下：采用連續(xù)回轉(zhuǎn)爐對(duì)坯料加熱到1020~1060℃，保溫一段時(shí)間后，在400~1000t的電動(dòng)螺旋壓力機(jī)上成形。終鍛葉片在真空爐中進(jìn)行熱處理，經(jīng)固溶熱處理（950~965℃保溫1h）+時(shí)效熱處理（720℃保溫8h，爐冷至620℃保溫8h）后，采用Kalling試劑（100mLHCl+100mL酒精+50gCuCl2）進(jìn)行葉片鍛件表面腐蝕，發(fā)現(xiàn)葉片榫頭部位有如圖1a所示的
腐蝕條帶，條帶寬約1mm、長(zhǎng)約10mm，呈弧形，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，該條帶部位呈現(xiàn)混晶組織，由拉長(zhǎng)晶粒和細(xì)小晶粒混合組成，平均晶粒度比葉根其他部位的晶粒度更細(xì)，如圖1b—c所示。通過(guò)與葉片成品模型對(duì)比分析可知，該部位的腐蝕條帶無(wú)法通過(guò)后續(xù)機(jī)加工完全去除，殘留的條帶組織會(huì)造成葉片組織不合格，如圖1d所示。通過(guò)對(duì)葉片緣板轉(zhuǎn)接R處進(jìn)行顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)，沿輪廓外形的鍛造組織具有明顯的流線特征，該部位也呈現(xiàn)出拉長(zhǎng)晶粒和細(xì)小晶粒組成的混晶組織形貌，如圖1e—f所示，但轉(zhuǎn)接R處未形成明顯的條帶組織，且其高倍組織符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。
葉片榫頭處條帶組織由拉長(zhǎng)晶粒和細(xì)小再結(jié)晶晶粒組成，細(xì)小再結(jié)晶晶粒占比50%以上，再結(jié)晶晶粒尺寸通常因變形量大或變形溫度低而較小，而拉長(zhǎng)晶粒表明此處累積的變形量不足以完成全部再結(jié)晶，或者因變形溫度較低而難以實(shí)現(xiàn)完全再結(jié)晶。隨后隨機(jī)解剖了同批次多件葉片，均出現(xiàn)了類(lèi)似問(wèn)題，說(shuō)明該問(wèn)題的產(chǎn)生是批次性、通用性的，擬從原材料及鍛造工藝角度入手進(jìn)行原因排查分析。
2、結(jié)果與分析
2.1葉片鍛件用原材料
在前期某批次GH4169合金壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片精鍛過(guò)程中，進(jìn)行葉片縱向低倍檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，葉根榫頭中心區(qū)域和葉身均有光亮線顯示，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片縱向低倍條帶組織如圖2所示，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片縱向高倍條帶組織如圖3所示，高倍組織顯示，亮條處存在析出相偏聚。對(duì)葉片榫頭條帶區(qū)域內(nèi)的析出相和基體在掃描電鏡下進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖4和表1所示，據(jù)文獻(xiàn)[17]可知，δ相具有正交有序結(jié)構(gòu)，其化學(xué)式為Ni3Nb，晶格常數(shù)a=0.3624nm、b=0.4251nm、c=0.7406nm，根據(jù)表1中析出相的成分可以判定析出相為δ相，即葉片析出相偏聚條帶為δ相條帶。
進(jìn)一步對(duì)鍛件用原材料開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證，選取原材料經(jīng)直接固溶+時(shí)效熱處理、1050℃保溫15min后再進(jìn)行固溶+時(shí)效熱處理，最后觀察金相組織（主要目的是讓原材料經(jīng)歷葉片鍛造的熱過(guò)程）。原材料經(jīng)直接固溶+時(shí)效熱處理后的晶粒組織為10級(jí)左右，整個(gè)截面分布有多條δ相條帶，如圖5所示。葉片鍛件用原材料經(jīng)1050℃保溫15min后再進(jìn)行固溶+時(shí)效熱處理，其顯微組織如圖6所示，可以看到，仍有輕微δ相條帶未完全溶解，晶粒組織在5.5級(jí)左右。
由上述試驗(yàn)可知，原材料中存在δ相偏聚是葉片鍛件出現(xiàn)條帶組織的一個(gè)原因，故在葉片鍛造之前需對(duì)原材料做好檢測(cè)驗(yàn)收，避免存在δ相偏聚的問(wèn)題。
第1章提到的壓氣機(jī)第7級(jí)轉(zhuǎn)子葉片鍛件用原材料經(jīng)固溶+時(shí)效處理后的顯微組織如圖7所示，未發(fā)現(xiàn)原材料存在δ相偏聚的異常現(xiàn)象，故此次產(chǎn)生腐蝕條帶的原因與原材料無(wú)關(guān)。
2.2葉片鍛造成形工藝分析
壓氣機(jī)第7級(jí)轉(zhuǎn)子葉片鍛件采用傳統(tǒng)的四火成形方案，即擠壓、鐓頭、預(yù)鍛、終鍛。經(jīng)復(fù)查，擠壓、鐓頭以及預(yù)鍛工序均采用前期鍛造葉片的通用制坯模，為了匹配成品葉片造型，對(duì)終鍛工序的模具進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)。但此批葉片根部造型與前期葉片造型存在較大差異，如圖8所示，葉根榫頭尺寸沿盆背、進(jìn)排氣側(cè)方向均有減小，而在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)未考慮最終葉片造型的尺寸差異而采用了通用制坯模。通用制坯模和葉片成品造型不匹配，導(dǎo)致葉片終鍛時(shí)榫頭部位金屬余量較多，過(guò)多的金屬向后定位凸臺(tái)處流動(dòng)，造成較大的應(yīng)變梯度，最終形成了低倍異常條帶組織。
根據(jù)鍛造工藝進(jìn)一步開(kāi)展變形量計(jì)算，葉片為三維不對(duì)稱(chēng)形貌，如圖9所示，上下模分模面將葉根緣板及榫頭區(qū)域分為4部分，分別用1、2、3、4代表對(duì)應(yīng)的區(qū)域，分別用V1、V2、V3、V4代表每個(gè)區(qū)域的變形體積，用預(yù)鍛件和終鍛件相對(duì)應(yīng)的體積來(lái)表征變形量的大小。
此批葉片鍛件采用通用制坯模和終鍛模2套模具，2套模具成形得出的葉根盆弧側(cè)與葉根背弧側(cè)的變形體積比分別為1.3和1.4，如式（1）所示。
式中：V1p、V2p、V3p、V4p分別為預(yù)鍛件1—4區(qū)的變形體積；V1f、V2f、V3f、V4f分別為終鍛件1—4區(qū)的變形體積。
以上數(shù)據(jù)說(shuō)明，盆弧側(cè)與背弧側(cè)的總體金屬余量合適，變形量相對(duì)均勻，可滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，但4個(gè)部分對(duì)應(yīng)的單獨(dú)變形體積比卻存在較大差異，尤其背弧側(cè)預(yù)鍛件與終鍛件的變形體積比最大約為1.8、最小卻為1.1，如式（2）所示。
以上數(shù)據(jù)表明，盆弧側(cè)葉根緣板部分和葉根榫頭部分的金屬余量合適，金屬流動(dòng)正常，變形均勻，但背弧側(cè)葉根榫頭部分（3區(qū)）金屬余量明顯偏大，變形量偏大，而葉根緣板部分4區(qū)的金屬余量偏小，變形量偏小，這樣會(huì)導(dǎo)致3區(qū)有過(guò)多的金屬流進(jìn)4區(qū)，金屬跨區(qū)域異常流動(dòng)，變形量分布不均勻并超出正常允許范圍。通過(guò)模鍛成形數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，榫頭部位變形不均勻，存在變形死區(qū)，而部分區(qū)域的變形又較大，兩者之間存在應(yīng)變落差較大的區(qū)域，該區(qū)域與條帶組織存在高度的一致性，如圖10所示。鍛造過(guò)程的仿真和熱模擬技術(shù)可較好地選出合理的溫度場(chǎng)、等效應(yīng)力等工藝參數(shù)，從而有效避免鍛造缺陷的產(chǎn)生[23]。
Chen等[24]對(duì)馬氏體不銹鋼渦輪葉片的鍛造過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬，分析了變形、溫度、晶粒尺寸等的變化規(guī)律，得出了復(fù)雜鍛件的最佳熱鍛工藝。Kocanda等[25]分析了渦輪葉片熱鍛模擬成形規(guī)律，揭示了模具型腔定位及鍛造變形量對(duì)金屬流動(dòng)及模具側(cè)向力分布的影響。楊舜等[26]在葉片精鍛過(guò)程中采用數(shù)值模擬方法獲得了葉片從加壓到卸載整個(gè)過(guò)程的全部數(shù)值解，得出精鍛過(guò)程中任意時(shí)刻的溫度場(chǎng)、應(yīng)力–應(yīng)變分布、微觀組織演變規(guī)律及卸載后的殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變分布，還通過(guò)分析模具應(yīng)力分布、鍛造載荷及變形功等進(jìn)行了葉片模具模型設(shè)計(jì)和修正。因此，在制定葉片鍛造方案過(guò)程中采用數(shù)值模擬方法是確保產(chǎn)品合理成形的有效途徑。通過(guò)仿真模擬及成形分析，基本可確定此批葉片出現(xiàn)腐蝕條帶的主要原因?yàn)轭A(yù)鍛與終鍛變形量不匹配，進(jìn)而造成葉片榫頭局部應(yīng)變落差大而形成剪切帶。
2.3預(yù)防措施與驗(yàn)證
為了優(yōu)化鍛造工藝，結(jié)合葉片成品造型重新設(shè)計(jì)了一套預(yù)鍛模具，使預(yù)鍛件和終鍛件盆弧側(cè)、背弧側(cè)的變形體積比保持在1.3~1.4，盆弧側(cè)1、2區(qū)的變形體積比保持在1.1~1.2，背弧側(cè)3、4區(qū)的變形體積比保持在1.2~1.3，確保榫頭部位金屬余量適宜、變形均勻，如式（3）—（4）所示。
優(yōu)化預(yù)鍛模后再看葉根榫頭處的等效應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變條帶趨勢(shì)得到明顯改善，如圖11a所示。采用同爐批原材料進(jìn)行了一輪葉片鍛造工藝驗(yàn)證，葉片鍛件低倍組織得到明顯改善，葉根榫頭低倍腐蝕條帶消失，如圖11b所示，從而驗(yàn)證了形成腐蝕條帶組織是因?yàn)殄懺斐尚畏桨覆缓侠怼?/p>
3、結(jié)論
1）原材料存在δ相偏聚是GH4169合金精鍛葉片存在腐蝕條帶的原因之一，在鍛造前需對(duì)原材料嚴(yán)格做好檢測(cè)驗(yàn)收。
2）鍛造成形工藝設(shè)計(jì)不合理將導(dǎo)致GH4169高溫合金精鍛葉片產(chǎn)生腐蝕條帶組織，在鍛造成形過(guò)程中應(yīng)確保葉片預(yù)鍛模和終鍛模變形相匹配，避免榫頭區(qū)域出現(xiàn)變形不均勻、產(chǎn)生應(yīng)變差。
3）結(jié)合數(shù)值模擬優(yōu)化鍛造工藝，使葉片預(yù)鍛件和終鍛件上下模具盆弧側(cè)、背弧側(cè)的變形體積比保持在1.1~1.4，這樣可使鍛造變形均勻、生產(chǎn)出低倍組織滿(mǎn)足要求的合格葉片。
4）在制定高溫合金葉片精鍛成形方案時(shí)，應(yīng)采用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行工藝驗(yàn)證與優(yōu)化，以便準(zhǔn)確設(shè)定成形工藝參數(shù)，確保葉片鍛件的組織和性能合格。
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