高温合金叶片精密成形技术研究_关红

ψ/% 39 39 39 39 33 36 ≥14
HB（ d） 3． 32 3． 32 3． 34 3． 34 3． 32 3． 32 3． 2 /3． 55
高温持久 温度 /应力
600 ℃ /785 MPa
时间 /h ≥60． 5 ≥60． 5 ≥60． 5 ≥60． 5 ≥60． 5 ≥60． 5 ≥60． 0
从高倍组织图 5 发现，1 040 ℃ 固溶、持续 2 h 的晶粒组织较细且均匀，由于锻件的组织较好使
图 3 阶梯试样小变形高倍组织
2． 4 锻件的表面状态及硬度的检测 高温合金在多次的加热过程中，锻件表层的
碳、硼等合金元素易被烧蚀和贫化，甚至诱发锻件 表层晶粒粗化，导致拉伸塑性和冲击韧性下降，高 温持久明显降低［11］． 为此进行了整流叶片锻后固 溶的表面贫化层的检验． 由于锻造加热过程中，玻 璃润滑剂起到了较好的防护作用，所以贫化层厚 度不是很深，同一试样不同部位的表面贫化层厚 度基本相同，固溶处理次数影响不大． 一次固溶处 理表面贫化层仍有一部分附着于基体上，厚度大 约为10 μm，而两次固溶处理的表面贫化层中没 有这种附着层，说明两次固溶处理样品的表面贫 化 层挥发较一次固溶处理样品严重（ 见表2） ． 贫
各组试样的高倍组织状态见图 1． 在低倍组
量的实际需要，本研究中还对 GH2150 合金较大 织未发现异常的前提下，3 种变形温度的高倍组
变形程度对组织的影响进行了验证，是在1 000、 织也未见明显差异，可以将综合性能相对较理想
1 050、1 130 ℃ 的 3 种温度 50% ～ 70% 变形量的 的 1 130 ℃ 作为本项目叶片成形的加热温度．
通过变形温度、变形程度对锻件组织性能影响的研究，确定了最佳热工艺参数； 通过热处理工艺试验、锻件的
表面状态及硬度的检测，确定了热处理工艺参数和冷却方式． 锻件的首批试制结果表明，试制出的叶片锻件， 金相组织和机械性能均符合锻件技术条件要求，与国外原件的组织状态基本一致． 通过了振动疲劳 2 × 107
终锻件并经（ 930 ± 10） ℃ 校形，试件经过（ 1 080 ± 10） ℃ × 2． 5 h，油冷处理和（ 780 ± 10） ℃ × 5 h，空 冷 + （ 650 ± 10） ℃ × 16 h，空冷时效．
件的组织和性能进行了检测．
2 结果及分析
1． 2 最佳变形程度的选择
2． 1 变形温度对合金组织性能的影响
第 21 卷 第 4 期 2 0 1 3年8 月
材料科学与工艺 MATEＲIALS SCIENCE ＆ TECHNOLOGY
Vol． 21 No． 4 Aug． ，2013
高温合金叶片精密成形技术研究
关 红，崔树森，汪大成
（ 沈阳黎明航空发动机（ 集团） 有限责任公司，沈阳 110043）
摘 要： 采用挤杆、镦头制坯、预锻、终锻成形的工艺方法，实现了叶片单面余量（ 0． 5 ± 0． 2） mm 的精密成形．
得叶身冷轧后，其晶粒变得更细（ 见图 6） ． 按该热 处理制度进行处理的压扁试样的力学性能符合锻 件技术条件的要求．
图 2 阶梯试样压扁前状态及压后以看 出，加热温度为 1 110、1 130 ℃ 在小变形时（ 5% ～ 8% ） 晶 粒 明 显 粗 大，只 有 加 热 温 度 为 1 040、 1 080 ℃ 晶粒在变形 5% ～ 30% 时都较细且均匀 （ 见图 3） ，而预锻和终锻的榫头为小变形，变形量 在 20% 左右，所以预锻和终锻的加热温度可以选 用 1 050 ℃ ．
循环考核和发动机的长期试车考核．
关键词： 高温合金； 精密成形； 工艺参数； 振动疲劳； 试车考核
中图分类号： TB331
文献标志码： A 文章编号： 1005 － 0299（ 2013） 04 － 0143 － 06
The study of high temperature alloy vane precision forming technology
压气机叶片是单机数量最多的叶片，其功能 使命重要、技术要求高，外形结构相近，但微细差 异甚多，其制造技术是机械领域中最为特殊、最为 严格的，难度极大，已经成为衡量透平机械制造能 力和水平的主要标志［1］． 一台航空发动机有数千 件叶片，其中锻造叶片就占 80% 以上［2］． 航空叶 片材料发 展 的 趋 势 为 高 性 能 化 （ 轻 质、高 强、高 模、抗氧化） 和低成本化． 由于迫切要求先进燃气 涡轮 发 动 机 的 技 术，而 使 高 温 合 金 得 到 了 发 展［3］． 高温合金是航空发动机的重要材料［4］，也 是最难加工的材料之一，在切削加工时刀具磨损 非常严重［5 － 6］． 随着航空发动机技术的发展，采用
GUAN Hong，CUI Shu-sen，WANG Da-cheng
（ AVC Shen Yang Li Ming Aero-Engine （ Group） Corporation LTD，Shenyang 110043，China）
Abstract： Using process method of squeezing bars，upsetting billet，pre-forging and final forging，the precision forming of vane which has （ 0． 5 ± 0． 2） mm single side margin has been achieved． The effect of deformation temperature and deformation degree on forging properties and the best thermal parameters are ascertained． By heat treatment，surface state and hardness measurement，the heat treatment parameters and cooling mode were determined． The real results reveal that the vane forging meets the requirements in both microstructure and mechanical properties，and is basically the same to the foreign vane forging． The vane passes the examining of 2 × 107 cycle vibration fatigue and long term engine test at the same time． Key words： superalloy； precision forming； processing parameters； vibration fatigue； test
阶梯试样上进行的．
表 1 不同变形温度试样性能
锻造温度 1 110 ℃ 1 130 ℃ 1 150 ℃ 技术条件
σb / MPa 1 220 1230 1 230 1 220 1 130 1 220 ≥1130
σ0． 2 / MPa 790 765 765 765 740 715 ≥685
常温性能 δ5 / % 26 29 32 26 25 23 ≥12
小变形区的阶梯试样的变形量是按 5% ～
由表 1 可看出，在 3 种温度下变形后的试样
30% 设计，试样加热温度取 900 ～ 1 150 ℃ ． 阶梯 的性能都未见明显差异，但加热温度为 1 130 ℃
试样在 1 000 吨螺旋压力机上进行，由不同的高 的试件的综合性能更为理想．
度压扁到 10 mm． 为了适应叶片如挤杆等大变形
收稿日期： 2012 － 09 － 05． 作者简介： 关 红（ 1968 － ） ，女，工程师． 通信作者： 关 红，E-mail： 1277479262@ qq． com．
热强性更好、抗热腐蚀能力更高，并长期工作时组 织稳定的高温合金已经成为叶片材料的主要研究 对象［7］． 本 文 项 目 研 制 的 叶 片 锻 件 材 料 是 GH2150 合金，该材料合金化程度较高，具有较好 的抗高温变形的能力［8］． 高温合金特有的合金成 分和微观组织结构决定了其热加工成形工艺有别 于其他普通材料，具有塑性低、变形抗力大、热加 工温度范 围 窄、导 热 性 差 等 特 点［9］，加 之 该 叶 片 配套加工的后续工序是冷辊轧工艺，对锻件的加 工余量、尺寸精度和表面质量要求均很高，这些因 素都增大了叶片锻造成形的难度． 本文介绍了一 种采用挤杆、镦头制坯、预锻、终锻成形的工艺方 法，实现了叶片单面余量（ 0． 5 ± 0． 2） mm 的精密 成形． 不仅解决了叶身薄且小的高温合金叶片的 精密 锻 造 成 形 问 题，而 且 使 后 续 加 工 大 大 简 化
大变形量的低倍组织试样均未发现问题，其 晶粒度也比较均匀（ 见图 4） ，可见变形程度达到 70% 时也能满足叶片锻件的组织要求． 最后确定 锻造工艺参数为： 挤杆（ 顶锻） 、镦头加热温度为 （ 1 130 ± 10） ℃ ，预锻、终锻加热温度为（ 1 050 ± 10） ℃ ，校正加热温度为（ 930 ± 10） ℃ ． 2． 3 热处理工艺试验
1试验
1． 1 变形温度对合金组织性能的影响 选用了 1 110、1 130、1 150 ℃ 的 3 种温度进
1． 4 锻件的表面状态和硬度的检测 取 2 个锻件对锻件的表面贫化层及辊轧前、
后的硬度进行检测． 1． 5 叶片精密锻造试验
行变形试验，其中性能件取自挤杆件，组织件取自
按试验确定的工艺参数进行了试生产，对锻
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材料科学与工艺
第 21 卷
图 4 阶梯试样大变形高倍组织 图 5 锻后 1 040 ℃固溶，保温 2 h 高倍组织
图 6 锻后 1 040 ℃固溶，保温 2 h 冷轧后 1 040 ℃固溶 保温 40 min 叶身高倍组织
表 2 锻件不同部位表面贫化层厚度 （ !m）
叶片编号 0 －1 0 －2 0 －3 1 －1 1 －2 1 －3
16． 65 20． 91 20． 35 26． 37 21． 92 28． 83
测量值 20． 18 22． 41 24． 98 26． 59 25． 19 28． 35 26． 43 26． 19 25． 38 27． 81 24． 36 27． 61
22． 36 21． 32 30． 25 27． 41 25． 98 25． 98
试验件 按 1 130 ℃ 制 坯 →1 050 ℃ 预 锻 → 1 050 ℃ 终锻→930 ℃ 校形的工艺进行锻造后，固 溶 温 度 分 别 取 1 000、1 040、1 060、1 080、 1 110 ℃ ，为进一步查明保温时间的影响，特将每 种温度持续时间分别为 0． 5、1、1． 5、2 h．
图 1 不同锻造温度的高倍组织
第4 期
关 红，等： 高温合金叶片精密成形技术研究
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2． 2 最佳变形程度的选择 从低倍组织图片发现加热温度为 1 110 ℃ 和
1 130 ℃ 试样在变形程度 5% ～ 8% 时出现了粗 晶，说明 临 界 变 形 区 在 5% ～ 8% ，加 热 温 度 为 1 150 ℃ 的试样晶粒普遍粗大（ 见图 2） ． 加热温度 为 1 000、1 040、1 080 ℃ 的晶粒细且均匀，可以说 变形程度在 30% 以内对晶粒没有影响，加热温度 为 900 和 930 ℃ 试件出现了锻造裂纹．
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材料科学与工艺
第 21 卷
（ 冷辊轧加工） ，省时、省料、省设备、节成本； 更重 1． 3 热处理工艺试验
要的是它使叶身的金属流线方向合理，从而提高
固溶温度分别取 1 000、1 040、1 060、1 080、
了叶片的机械性能和使用性能，充分发挥了材料 的潜在能力［10］．
1 110 ℃ ，为进一步查明保温时间的影响，特将每 种温度持续时间分别为 0． 5、1、1． 5、2 h．