異形薄壁高溫合金機(jī)匣環(huán)鍛件整體精密環(huán)軋技術(shù)研究

劉智 劉其源 劉峰 何濤 吳久喜 王駿

摘 ?要：高溫合金低壓渦輪機(jī)匣為大型異形薄壁環(huán)件，其尺寸大，大小端直徑變化大，壁厚不均勻，并且軸向不對(duì)稱(chēng)，同時(shí)材料為難變形高溫合金，環(huán)件在軋制時(shí)變形抗力大，軸向偏載大，軋制過(guò)程中容易失穩(wěn)，截面成形困難且由于鍛造過(guò)程中火次較多，組織性能也很難滿(mǎn)足使用要求。文章通過(guò)對(duì)異形薄壁機(jī)匣環(huán)鍛件整體精密環(huán)軋技術(shù)研究，成功軋制了滿(mǎn)足AMS5663要求的精密低壓渦輪機(jī)匣環(huán)形鍛件。

關(guān)鍵詞：高溫合金;異形薄壁機(jī)匣;精密環(huán)軋

中圖分類(lèi)號(hào)：TG376.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）15-0102-02

Abstract： The superalloy low pressure turbine casing is a large special-shaped thin-walled ring member， which has the advantages of large size， large diameter variation at the end of the size， uneven wall thickness and axial asymmetry. At the same time， the material is refractory to deformation of the superalloy， and the ring has great deformation resistance during rolling， the axial bias load is large， the rolling process is easy to lose stability， the cross section forming is difficult， and because of the large number of fires in the forging process， it is difficult to use the microstructure and properties to meet the requirements. In this paper， through the research on the whole precision ring rolling technology of the box ring forgings of the special-shaped thin-walled machine， the precision low pressure turbine casing ring forgings which meet the requirements of AMS5663 have been successfully rolled.

Keywords： superalloy; special-shaped thin-walled casing; precision ring rolling

引言

在現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)中，高溫合金廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，目前該合金占所有高溫合金總用量的 40%以上，同時(shí)其產(chǎn)量占變形鎳基合金的45%以上，占所有高溫合金總產(chǎn)量的35%以上。高溫合金在-253至 650°C以下具有高強(qiáng)度，高疲勞性能和良好的塑形、組織穩(wěn)定性，在深冷和高溫條件下均得到極其廣泛應(yīng)用[1]。

固溶時(shí)效強(qiáng)化型鎳基高溫合金，在鍛造變形過(guò)程中，變形抗力較大，對(duì)設(shè)備能力要求較高，因此需要對(duì)低壓渦輪機(jī)匣鍛件生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行全流程設(shè)計(jì)，保證在制坯過(guò)程中，能夠合理的分配截面材料，保證最終異形薄壁機(jī)匣能夠順利軋制成形。

1 高溫合金異形薄壁機(jī)匣鍛件數(shù)值模擬過(guò)程

高溫合金異形薄壁機(jī)匣鍛件外形尺寸（如圖1所示），從圖1可以看出，低壓渦輪機(jī)匣鍛件尺寸大，大小端直徑變化大，壁厚截面變化不均勻，并且軸向不對(duì)稱(chēng)，導(dǎo)致其工藝流程長(zhǎng)，包括鐓粗沖孔、預(yù)軋制、預(yù)成形制坯和整體精密異形環(huán)軋，共4個(gè)工序。低壓渦輪機(jī)匣鍛件重量重、材料附加值高、制造工序繁瑣，試驗(yàn)研究的成本高，為了滿(mǎn)足環(huán)軋件成形和組織性能控制的要求，必須對(duì)各工序進(jìn)行嚴(yán)格控制并實(shí)現(xiàn)合理銜接，同時(shí)高溫合金在加工過(guò)程中，控制不當(dāng)很容易會(huì)產(chǎn)生粗晶和混晶等現(xiàn)象，影響材料的力學(xué)性能[2]。

采用數(shù)值模擬方法對(duì)各工序進(jìn)行系統(tǒng)分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件、材料特性和技術(shù)要求，初步建立整體精密環(huán)軋工藝和路線(xiàn)，保證軋制工藝路線(xiàn)中各工序的合理銜接。

1.1 各工序模具三維模型

如圖1所示為高溫合金鍛件圖，利用三維造型軟件UG設(shè)計(jì)出高溫合金鍛件在精密環(huán)軋過(guò)程中的模具：主輥和芯輥;預(yù)成形制坯過(guò)程中的模具：上模具和下模具。

1.2 各工序數(shù)值模擬情況

為了驗(yàn)證整體方案的可行性，對(duì)整個(gè)流程進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，在整個(gè)數(shù)值模擬過(guò)程中，采用同一坯料逐步工序進(jìn)行數(shù)值模擬，與生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程一致。

通過(guò)全流程數(shù)值模擬仿真的結(jié)果可以看出，在整個(gè)流程中，坯料變形情況均勻，坯料各部位體積分配合理，軋制過(guò)程穩(wěn)定可靠，具備生產(chǎn)條件。

2 高溫合金異形薄壁機(jī)匣鍛件實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程

通過(guò)數(shù)值模擬過(guò)程，制定工藝方案，對(duì)高溫合金異形薄壁機(jī)匣鍛件進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)，在各工序工程中，情況如下圖2～5所示。

通過(guò)數(shù)值模擬過(guò)程與實(shí)際過(guò)程的尺寸對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在模擬過(guò)程中的情況與實(shí)際基本一致，具有很好的參考意義。

3 試制理化結(jié)果分析

環(huán)件鍛造試制結(jié)束后，對(duì)鍛件進(jìn)行熱處理，熱處理結(jié)束后在樣區(qū)部位取樣做性能。

經(jīng)過(guò)理化檢測(cè)后，其理化結(jié)果滿(mǎn)足AMS5663規(guī)定的要求，晶粒情況如圖6所示。

從晶粒組織情況可以看出，鍛件晶粒度為5.5級(jí)，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬仿真技術(shù)，對(duì)工藝全流程進(jìn)行分析，可以有效減少設(shè)計(jì)周期、降低研發(fā)成本。

通過(guò)數(shù)值模擬仿真技術(shù)，可以制定可靠的工藝路徑，來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜薄壁異形環(huán)鍛件的生產(chǎn)，不僅可以滿(mǎn)足環(huán)件的尺寸要求，還可以滿(mǎn)足力學(xué)性能要求。

通過(guò)精密異形環(huán)件軋制，實(shí)現(xiàn)的材料利用率的大幅度提升，相比于其他單位的異形環(huán)軋方案，單件產(chǎn)品節(jié)約材料600kg以上。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)航空材料手冊(cè).變形高溫合金-鑄造高溫合金（第二卷）[M].第二版.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[2]莊景云，杜金輝，鄧群.GH4169合金及鍛件晶粒形貌特點(diǎn)[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2003，15（7）：44-48.

[3]侯瓊，陶宇，賈建.新型粉末高溫合金多火次等溫鍛造過(guò)程中晶粒細(xì)化機(jī)制[J].工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2019，41（02）：209-215.