隨著高端設(shè)備的快速發(fā)展,異形環(huán)軋制在石油化工、核電、風(fēng)電、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛,與普通環(huán)件軋制相比,異形環(huán)軋制具有成本低、產(chǎn)品質(zhì)量高、經(jīng)濟(jì)效益高等顯著優(yōu)勢[1-3]。異形環(huán)軋制是一種高效且富有挑戰(zhàn)性的體積成形技術(shù),相比于矩形環(huán)件軋制,異形環(huán)軋制的接觸邊界變化更復(fù)雜,軋制過程的影響因素更多,環(huán)件軋制過程也更加不穩(wěn)定,但是異形環(huán)軋制卻能在復(fù)雜環(huán)截面成形過程中產(chǎn)生細(xì)小晶粒和連續(xù)的金屬流線,從而顯著提高異形環(huán)的性能并節(jié)省大量金屬材料,所以,異形環(huán)軋制也被作為一種先進(jìn)的近凈成形技術(shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)約為50%~55%,Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(qū)間內(nèi)服役,具有良好的力學(xué)性能[10],廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、核電等領(lǐng)域[11-12]。截止目前,采用GH4169合金生產(chǎn)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(fā)動機所使用合金材料質(zhì)量的50%左右[15-16]。機匣類鍛件在發(fā)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(fēng)扇葉片等內(nèi)部結(jié)構(gòu)起到保護(hù)和包容作用。隨著航空發(fā)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(fā)高質(zhì)量高效率的機匣類鍛件的生產(chǎn)工藝對于我國航空工業(yè)的發(fā)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(shù)設(shè)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(dǎo)實際生產(chǎn)。

1、實驗材料和方法

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

GH4169合金棒材符合要求。圖1a為大型異形環(huán)鍛件的粗加工圖,根據(jù)鍛件粗加工圖可以看出,該鍛件屬于大型異形環(huán)件,其結(jié)構(gòu)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(shù)進(jìn)行鍛造成形,設(shè)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(qū)域,進(jìn)行了工藝優(yōu)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(shè)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(zhì)量的穩(wěn)定性,中間坯料如圖1c所示。根據(jù)鍛件的工藝可行性分析,大型異形環(huán)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(yù)軋?zhí)ツｅ懘旨庸?、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(huán)鍛件的工藝可行性、成形效果及環(huán)軋過程進(jìn)行了有限元分析。采用三維掃描儀對大型異形環(huán)中間坯料和終軋鍛件實物圖進(jìn)行掃描分析。

2、結(jié)果與討論

2.1大型異形環(huán)鍛件有限元分析

為了了解使用設(shè)計的近凈成形方案成形的大型異形環(huán)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(huán)鍛件的成形效果、成形均勻性及鍛透性進(jìn)行了有限元分析。圖2a為近凈成形方案成形的大型異形環(huán)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(dá)到大型異形環(huán)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(huán)鍛件成形后截面的等效應(yīng)變分布情況,等效應(yīng)變值均在0.43~0.69之間,能夠滿足大型異形環(huán)鍛件鍛透條件,且分布較為均勻。進(jìn)一步分析大型異形環(huán)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(shè)計存在改進(jìn)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(shù)控制不當(dāng)也易造成小頭端缺肉。為了驗證上述模擬結(jié)果,對大型異形環(huán)鍛件進(jìn)行了試造生產(chǎn)。在生產(chǎn)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(xiàn)了小頭端尺寸偏小且法蘭邊區(qū)域填充不滿的現(xiàn)象(圖2c)。為了保證鍛件外形尺寸滿足客戶要求,需要進(jìn)一步對中間坯料進(jìn)行優(yōu)化,并開展有限元分析,為生產(chǎn)實踐提供參照依據(jù)。

2.2大型異形環(huán)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(shè)計尺寸的對比圖,其中,虛線表示理論設(shè)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(nèi)徑較大,小頭端即使使用了沖頭脹形,仍難以形成預(yù)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(jìn)行了平高度,故高度與設(shè)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(xiàn)象,即實際鍛件大頭端內(nèi)徑與小頭端內(nèi)徑不匹配。根據(jù)《環(huán)件軋制理論和技術(shù)》[18]所述的咬入和塑性穿透條件,環(huán)件轉(zhuǎn)動表明環(huán)件軋制滿足咬入條件,而環(huán)件直徑擴大是因為塑性變形區(qū)穿透環(huán)件壁厚,因而產(chǎn)生周向伸長和直徑擴大的塑性變形。通過有限元分析,重現(xiàn)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(jìn)行,坯料發(fā)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(jìn)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(jìn)行相應(yīng)填充;當(dāng)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(chǎn)生扭動;(3)坯料在軋制過程中由于扭動,被設(shè)備強制壓制,在錐輥抬輥后扭力釋放而產(chǎn)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(jù)最終鍛件設(shè)計的,理論上軋制成形的鍛件應(yīng)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(jìn)入塑性穿透前,因芯軸直線進(jìn)給使坯料發(fā)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(jìn)入整形階段,錐輥上抬,芯軸直線進(jìn)給大大減少,使原來所受力(認(rèn)為是彈性變形)被釋放,鍛件發(fā)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(jié)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(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備是在理想狀態(tài)下的,所以理論坯料形狀、尺寸與仿真模擬的結(jié)果基本一致。然而,鍛件在實際生產(chǎn)過程中需要充分考慮生產(chǎn)設(shè)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(chǎn)過程中設(shè)備能力及工況條件造成的。

2.3大型異形環(huán)鍛件試造生產(chǎn)

根據(jù)大型異形環(huán)鍛件近凈成形設(shè)計方案和貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司設(shè)備力能狀況,設(shè)計并制造了如圖5所示的近凈成形大型異形環(huán)鍛件的軋制模具,并在1800mm環(huán)軋設(shè)備上進(jìn)行了鍛造生產(chǎn)。近凈成形中間坯料及大型異形環(huán)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(shè)計胎模,坯料外圓周區(qū)域坯料處于自由流動狀態(tài),填充情況無法保證,故大頭端出現(xiàn)明顯的拉料現(xiàn)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(wěn)定性。而采用圖6a坯料進(jìn)行軋制生產(chǎn),得到圖6b所示的鍛件,成形后的大型異形環(huán)鍛件除了小頭端填充情況欠佳,其余區(qū)域的填充情況和形狀貼合率均較好。

2.4　型異形環(huán)鍛件組織及性能

大型異形環(huán)類鍛件屬于關(guān)鍵重要件,對組織性能均勻性要求較高。經(jīng)過理化分析,低倍組織中未見暗腐蝕區(qū)、白斑或淺腐蝕區(qū),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(biāo)準(zhǔn),δ-Ni3Nb相2級,未見laves相,晶粒尺寸為8級,符合大型異形環(huán)鍛件高低倍組織驗收標(biāo)準(zhǔn)要求。而該大型異形環(huán)鍛件的理化性能通過獨立試環(huán)替代鍛件本體性能,在一定程度上可能存在偏差。為了進(jìn)一步分析鍛造工藝過程中內(nèi)部組織的演變規(guī)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(huán)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(chǎn)生徑向鍛透,但其變形均勻,容易獲得均勻細(xì)小的再結(jié)晶組織。鍛件組織均勻細(xì)小,對提高大型異形環(huán)鍛件在復(fù)雜服役環(huán)境下的壽命具有顯著作用[14]。表2為近凈成形大型異形環(huán)鍛件的理化測試性能(弦向),分別使用兩組獨立試環(huán)(編號1、編號2)進(jìn)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(huán)鍛件室溫力學(xué)性能驗收要求。

在650℃保溫20min時進(jìn)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(huán)鍛件650℃高溫力學(xué)性能驗收要求。在650℃和690MPa下進(jìn)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(huán)鍛件高溫持久性能驗收要求。

3、結(jié)論

(1)近凈成形工藝可以獲得細(xì)小均勻的晶粒,環(huán)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(huán)鍛件表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)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(jìn)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(jìn)行可視化展示,判斷鍛造過程中存在的問題,進(jìn)而優(yōu)化工藝,為后續(xù)生產(chǎn)產(chǎn)品提供參考依據(jù),為提高產(chǎn)品質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

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