GH4169合金涡轮盘锻件粗晶质量分析和控制

锻压技术２００４年第５期
·锻造·
ＧＨ ４１ ６ ９合金涡轮盘锻件粗晶质量分析和控制
周晓虎。 （红原航空锻铸工业公司７１３８０１）
摘要：通过分析ＧＨ４１６９合金涡轮盘不同部位的成形特点及合金特性，提出了对粗大合金组 织的有效预防措施和改善方法，为确保锻件冶金质量，提高质量稳定性提供了有益参考。
关键词：ＧＨ４１６９合金涡轮盘粗晶质量控制
＊男，３０岁，工程师 收稿日期：２００３—１１—０５
万方数据
二、涡轮盘几何构成及形变特征
典型的涡轮盘锻件几何形状可分解为轮毂、辐 板和轮缘３部分，如图１所示。
图１典型祸轮盘几何图
轮毂部位处于锻件中心部位，坯料在充填成形 时，由于金属材料与该部位型腔接触方式不同而形 成两种成形方式：一种是坯料中心附近材料以平移 方式填人；一种是由辐板周围材料以反挤压方式成 形。由于辐板厚度相对较小，因此易于成形充满。 轮毂与辐板处多余金属通过辐板流向轮缘并形成飞 边，促使轮缘成形。
五、结束语
１．ＧＨ４１６９涡轮盘粗晶组织主要集中在锻件芯 部、轮毂和轮缘。通过改善坯料芯部散热，控制锤 击节奏和轻重，并进行坯料包套，改善润滑条件， 去除端面粗大组织并改善充填方式，以及改进模具 设计提高轮缘锻造温度，控制临界变形量等措施， 可预防和改善以上各主要部位的组织状况，达到晶 粒的均匀和细化。
Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｃｏａｒｓｅ ｇｒａｉｎ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ＧＨ４１６９ ａｌｌｏｙ ｔｕｒｂｉｎｅ ｗｈｅｅｌ
ＺＨＯＵ Ｘｉａｏ－ｈｕ （Ｈｏｎｇｙｕａｎ Ａｖｉａｔｉｏｎ Ｆｏ迄ｉｎｇ＆Ｃａｓｔｉｎｇ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏｍｐａｎｙ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｏｒｍｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｕｒｂｉｎｅ ｗｈｅｅｌ ａｎｄ ＧＨ４１６９ ａｌｌｏｙ ｓｐｅｃｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｓｏｍｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｐｒｅｃａｕｔｉｏｎａｒｙ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏａｒｓｅ ｇｒａｉｎ ａｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓｏｍｅ ｕｓｅｆｕｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｔｏ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｔｈｅ ｆｏｒｇｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｆｏｒｇｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．
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万方数据
图５ａ占相含量较少×２５０ 图５ｂ ８相含量较多×２５０
四、控制及预防措施
１．改善轮毂顶部粗晶、混晶区组织 （１）在制坯时使用专用润滑剂，改善变形条件， 减小难变形区，从而达到坯料变形较为充分和均匀。 模锻前采用机械加工的方式去除坯料两端面属于难 变形区和变形死区一定范围内的粗大组织，减少不 均匀组织的影响。 （２）采用塑性较好的薄钢板及耐火保温材料（如 硅酸铝纤维）对坯料进行包套后生产，不但可保证始 锻温度，减少生产中的温度损失，而且包套用钢板在 锻造变形时可起到软衬垫的作用，减小变形死区。 （３）在锻造过程中，经常转动坯料，使其变形均 匀。转运、生产操作要迅速，尽量减少温度损失，使
从上面分析隋况看，涡轮盘锻件成形方式是金属 主要沿锻件径向流动。轮缘、辐板、轮毂各部位成形
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方式及变形程度不同，从而形成不同的组织形态。
三、涡轮盘锻件主要粗晶部位及其成因
１．轮毂部位的粗晶、混晶 在涡轮盘轮毂的顶部经常有几毫米至几十毫米 的粗晶或混晶区，典型组织如图２所示。其原因与 坯料尺寸、成形工艺及该部位成形方式有关。由于 填充方式不是单一的形式，而是两种方式的综合作 用。因此当轮毂成形以金属平移方式为主充填时， 由于变形不充分，易于形成不均匀的组织状态，加 之轮毂对应于荒坯成形时的中心部位，而该部位又 属于难变形区或变形死区，残留一定的棒材原始组 织，组织状态较粗大且不均匀。由于以上几种因素 的共同作用，使轮毂顶部常会出现粗晶或混晶组织。
我国于七五、八五期间分别进行了ＧＨ４１６９合 金的基础应用研究和优质ＧＨ４１６９合金应用研究， 其中优质ＧＨ４１６９合金应用研究中以ＤＡ工艺生产 的涡轮盘锻件的组织和力学性能与美国９０年代 ＤＡ７１８锻件标准Ｃ５０ＴＦ８１一Ｓ９的水平相当。我公 司做为成员单位进行了优质ＧＨ４１６９涡轮盘锻件的 锻造工艺研究及优质锻件的生产交付。对于 ＧＨ４１６９合金锻件，晶粒组织是否均匀细小在相当 程度上影响着锻件性能的稳定与提高。本文以生产
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＧＨ４１６９ Ｍｌｏｙ Ｔｕｒｂｉｎｅ ｗｈｅｅｌ Ｃｏａｒｓｅ ｇｒａｉｎ Ｑｕａｌｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ
一、前言
实践为基础，通过对涡轮盘锻件内部组织的分析与 探讨，提高和加强对锻件质量的控制能力。
ＧＨ４１６９是以体心四方的）／７和面心立方的ｙ７相 沉淀强化的镍一铬一铁基高温合金，合金在６５０℃以 下具有良好的综合机械性能。它的比强度ａ／ｐ比目 前广泛运用的涡轮盘合金ＧＨ４１３３Ｂ要分别提高 ３６％（∞／｜０）和６７％（ｃｒｏ．ｚ／ｐ），两种材料的超温、超 转试验表明，ＧＨ４１６９涡轮盘的残余变形比 ＧＨ４１３３盘要小的多，因此，具有更高的安全系数 和使用寿命。
２．选择合理的加热规范，并严格控制终锻温度 使艿相细小、均匀并适量析出，是防止晶粒粗大， 保证锻件整体组织均匀、细小的有效措施。
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图４轮缘部位粗晶组织×１００
图２轮毂顶部粗晶、混晶组织×１００
２·锻件芯部粗晶 由于坯料加热温度、保温时间及局部形变热效 应引起温升等原因，往往在锻件芯部出现粗晶区， 典型组织如图３所示。
４．６相对晶粒的影响 当艿（Ｎｉ３Ｎｂ）相含量过少或处于溶解状态（如 图５ａ所示），晶粒因无异相质点的阻碍作用，迅速 粗化，形成粗大组织，引起合金性能下降；而合金 中艿相析出过多（如图５ｂ所示），会导致过多的消 耗基体中的Ｎｂ，引起作为合金主要强化相的／７体 积百分数不足，使热处理不能充分时效硬化，从而 引起合金高温性能的降低。因此应使ｄ相以合理的 含量和组织形貌均匀分布，起到·ｔ钉扎，，作用，阻 碍晶粒长大，而又不消耗过多的Ｎｂ，保持其热处理 后的强化效果。
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大的趋势更明显。且由于坯料组织形态具有明显的 遗传倾向，直接影响锻件最终组织的均匀和细化。 因此重锤连击、单锤变形量过大引起剧烈变形而产 生的热效应是形成芯部组织粗化的重要原因。
３．轮缘外侧区域局部粗晶 轮缘与飞边冷却较快，在该部位终锻温度过低 时，由于再结晶变形不充分，形成了少量粗大晶粒 无法细化再结晶（如图４所示），形成组织不均匀。
万方数据
４．６相含量、形貌及分布的控制 （１）艿相含量由于艿相的溶解温度是随Ｎｂ含 量的高低而变化，Ｎｂ含量高艿相的溶解度就高，反 之则低，因此应根据Ｎｂ含量的高低对加热规范进 行适当的调整，达到对艿相含量的合理控制。此外， 若原材料艿相数量少，形态细小，则应把加热温度 （第１阶段）定在艿相析出峰值温度（９４０℃）附近； 反之，则应适当降低加热温度。总之，合理调整加 热温度，保证艿相均匀细小的析出，可有效促进合 金组织的细化。 （２）艿相形貌和分布 影响合金高温强度和塑 性的重要因素之一是艿相形貌和分布，而艿相形貌 和分布受到终锻温度的控制，终锻温度与８相形貌 及分布有如下关系： １）终锻温度＜９００。Ｃ～８７０℃时艿相呈针状连续 分布，并有羽毛状魏氏体出现，数量极密，同时伴 有“黑晶”析出（即艿相与７”共沉淀），此时腐蚀晶 粒不显示。 ２）终锻温度在９００。Ｃ～９３０。Ｃ时，艿相呈颗粒状 析出，均匀分布在晶内和晶界，性能最佳，是所希 望的组织。 ３）终锻温度在９４０。Ｃ～９６０。Ｃ时以晶界析出艿相为 主，晶内有少量析出，呈短棒状，该组织也较为理想。 ４）终锻温度在９７０℃～９８０℃时艿相成针状， 数量较少，主要分布在晶界，此时出现缺口敏感性。 ５）终锻温度在＞９８０℃时，艿相成溶解状态残 余颗粒或全溶，晶粒开始粗化，缺口敏感性增大。 如上所述，合理确定和控制终（停）锻温度， 是控制艿相形貌和分布的有力措施，也是保证锻件 组织细化的一个重要途径。
图３锻件芯鄙粗晶组织×１００
因此除对加热温度、保温时间等加热参数需要 严格控制外，防止变形热效应引起锻坯局部温度升 高，也不容忽视，坯料的局部温升主要是由于重锤 连击、单锤变形量过大造成。根据金属弹塑性应变 能理论计算，采用棒料镦粗（ｈ／ｄ＝２）时，单锤变 形量大于５％、单火次总变形量大于６０％可使坯料 平均温升达２０℃以上。而坯料芯部散热条件差，变 形剧烈，不难想象，芯部温升会更高，形成晶粒长
合金保持良好的流动陛，并进行有效的动态再结晶。 （４）应保证模具有足够的预热温度。实践证明，
在模具预热不低于２５０。Ｃ～３００。Ｃ的条件下进行锻造， 对组织均匀化，降低锻造火次，可起到良好效果。
２．预防锻件芯部粗晶 （１）原材料芯部组织本身粗大和变形热效应是 形成芯部粗晶的主要原因。因此可以通过改善散热 条件减少芯部组织粗晶的可能。如对内孔较大的锻 件制坯时可在坯料中心打孔或冲孔，这样不仅可以 去除芯部组织不好的材料，还可以改善散热条件。 （２）制坯时，应根据料温控制打击节奏和锤击 轻重，每火变形量应控制在小于５０％，以减少内部 热效应对组织的影响。模锻时，由于变形量较小 （处于临界变形）时，锻坯内部会发生聚集再结晶和 加工再结晶，从而导致晶粒大小悬殊的不均匀组织， 因此应保证模锻最后一火大于临界变形量，使其进 行足够的回复和再结晶组织细化。 （３）制定科学的加热规范。高温合金导热性差， 塑性低，一般应采取分段逐步升温加热，ＧＨ４１６９合 金较为合理的加热方式是采用３～４段加热，根据变 形方式及程度不同，对制坯及模锻宜制定不同要求的 加热规范，保证变形的均匀性及锻件组织细化。 ３．控制轮缘部位的局部粗晶 轮缘与飞边过渡区域存在局部的粗大晶粒，主 要是由于变形温度偏低，使之无法充分再结晶细化， 这与飞边桥部厚度尺寸小，冷却快有关。因此，在 不影响锻件成形的条件下，增加桥部设计高度，可 缩短锻造时间，提高终锻温度，有利于防止个别粗 大晶粒的出现。