涡轮转子用GH4141高温合金锻造工艺研讨

上海雄钢特种合金有限公司

液体火箭发起机涡轮转子工作环境普通比较恶劣一温度高、转速高、气动冲击大等。某型液体火箭发起机工作时涡轮转速达30000rpm，涡轮腔燃气温度高达1123K。为了增加涡轮转子机械强度以及保障轮盘和转动轴衔接简单、牢靠，涡轮转子可采用一体化结构，即转子叶栅与轮盘一体，同时传动轴与轮盘一体。结构上就显得盘轴外径尺寸差别大，采用棒料直接机械加工不太理想，也不经济，普通采用整体锻造而成。因而涡轮转子的锻造工艺将是转子机械性能的关键要素，一旦机械性能分歧格，就会呈现叶片断裂、轮盘龟裂等毛病，构成发起机不能正常工作，直接招致发射任务失败。

GH4141资料的自身特性决议了其锻造加工温度范围窄，变形抗力大，因而肯定科学合理的锻造工艺，确保工作牢靠，降低产品废品率，俭省消费成本有着重要意义。

1高温合金GH4141的化学成分和机械性能指标

高温合金GH4141运用请求的机械性能指标见表1。

2锻造基本原理

塑性资料南开端变形直至破坏分为三个阶段：弹性变形、塑性变形、决裂。弹性变形发作在变形的初期阶段，塑性变形是变形的第二阶段。当塑性变形抵达极限状态时，金属的连续性和完好性被破坏，发作裂纹或断裂。锻培育是应用金属加热到高温所具有的塑性，使之变形到规则的外形而不产生决裂。

金属的塑性变形微观上是晶体的塑性变形，晶体有单晶体和多晶体，通常运用的金属大都是多晶体，是由大量的外形、体积和晶格方位不同的晶粒所构成的晶体。各个晶粒间的晶界呈纵横交错状态，每个晶粒内部的变形都在晶界上遭到晶界杂质和相邻晶粒的障碍，变形抗力大。同样成分的金属，晶粒愈细，变形抗力愈大，强度亦愈高。同时，由于各个晶粒的晶格位向不同，塑性变形并不是在一切晶粒内同时和相同水平地发作着，而是首先在那些最有利于发作滑移的晶粒内发作，因而，晶粒越细塑性变形就越平均地散布在更多的晶粒内，塑性越好，使金属能接受更大的整体变形而不会决裂。

金属高温下发作塑性变形时，晶粒在滑移面左近发作晶格畸变和晶粒破碎，在高温下原子的扩散速度很大，原子排列首先趋向正常，这个过程为回复，回复只能消弭品德畸变，不改动晶粒的外形和大小，也不能消弭破碎的晶粒。随着原子活动才干进一步增强，破碎和变形的晶粒就以碎晶块为中心长大为新的细小晶粒，这个过程称为再结晶。再结晶后晶粒得到细化，塑性改善，可继续中止锻造。普通随着锻造中止，金属温度快速降低，塑性随之变差，同时再结晶速率也会快速降低，此时假如继续使之发作变形，变形抗力增大，会呈现决裂。可再次加热，提升温度，同时充沛发作再结晶，改善塑性。但是假如再结晶过程中，金属的温度继续升高，则再结晶后晶粒就集汇集长大，发作二次再结晶，使资料的性能变差。

3影晌金属塑性的要素

除了金属自身的化学成分和组织状态对其塑性有严重影响外，还受以下条件影响。①变形温度。普通塑性变形的温度越高，则再结晶的速度越快，塑性越好，可改善金属的锻造性能。但是，变形温渡过高，晶粒长大，塑性则急剧降落。②应变速率。即单位时间内的相对变形水平。随着应变速率的增加，回复和再结晶不能及时抑止加工硬化的作用，使塑性降落。因而，关于实质塑性较差的资料，应采取较低的应变速率，经过多次锻造，每次回炉时，经过回复和再结晶，使塑性改善。③应力状态。金属在禁受不同的法变形时，其内部的应力状态也不同。例如，挤压时的应力状态是三向压应力；拉拔时则为两个方向受压，一个方向受拉；自由锻时坯料上下同部位的应力状态不完整相同。压应力使金属质点间趋向紧密，拉应力则使它们趋向分别而易招致决裂。因而在三个方向的应力中压应力的数目越多，金属的塑性越好。但是，在压应力作用下变形时，金属内部的摩擦力增大，变形抗力增加。

4锻造对金属组织和性能的影响

锻造不只能够使金属改动外形，还可使其内部组织发作如下变更，从而影响资料的机械性能。①资料内部空泛性缺陷，如疏松、微裂纹等缺陷，在锻造压应力作用下能够压实直至焊合。改善组织致密性。②细化晶粒，锻造时粗大的晶粒在庞大的压应力作用下得到充沛的破碎。经过再结晶后重新构成晶粒，构成晶粒的大小与变形温度和变形水平有关。普通地，在抵达一定的变形水平后变形温度越低，晶粒越细。③构成纤维组织。锻造金属发作塑性变形时，金属内部非金属夹杂物沿着变形方向呈带状或链状散布。这种组织称为纤维组织。纤维组织的构成使金属的机械性能呈现方向性，沿纤维方向的塑性和韧性高于垂直纤维方向。但金属的强度在两个方向上差别不大。

5GH414l资料涡轮转子毛坯的锻造工艺研讨

5.1锻料状况

锻料如图1所示，图1中的左图为锻造前毛料图，右图为锻造后毛坯图。

5.2原有锻造工艺

GH4141资料晶界结构属多晶体结构，具有合金化水平高，高温下机械性能好，变形抗力大、塑性低等特性。由图l可见，毛坯状态比毛料状态中心轮盘直径增加了一倍多，轴径减少近一倍，资料变形很大。而涡轮工作环境请求转子具有好的高温性能，相应的锻造工艺请求也高。

原有的扼要锻造工艺见表2。

采用界于自由锻和模锻之间的半模锻。思索到锻造前后毛坯结构的庞大变更，不可能经过一次锻造使外形到位。整个锻造过程分3个阶段，包含拔轴、墩盘、拔轴。运用两套模具，各分上、下模。第一、第1锻拔轴运用一套，第二锻墩盘运用一套。模具简图见图2。

第一锻中止两侧轴的锻造，在锻造过程由于资料与环境的热交流使其温度降落，塑性降低，不宜继续中止锻造，将资料回炉重新加热后中止第二锻墩盘，变形满足请求后回炉重新加热后中止第三锻拔轴。

经过该锻造丁艺成形后，资料中如疏松、微裂纹等缺陷得到消弭，改善了组织致密性。锻造所构成的纤维组织的方向与实践工作中受力状况相顺应，满足请求。同时采用半模锻，金属内部的应力状态相对较好。而实践锻造出的产品合格率低，批次稳定性差，产品成本高，下面主要从影响锻造性能的其他两个方面中止剖析。

从锻造温度上剖析，经过早期丁艺探求，GH4141资料在接近1110℃时晶粒会急剧长大，1120℃以上时晶粒度变更不大。第一锻加热炉温度为1120℃，锻件处于晶粒长大温度区域，锻造时轴上粗大的晶粒在庞大的压应力作用下得到充沛的破碎。再经过第二锻、第三锻的回炉加热，由于温度1120℃略超出了晶粒急剧长大温度，轴上破碎的晶粒在经过回复和再结晶后部分晶粒会发作二次再结晶，但在第三锻时轴上的晶粒在庞大的压应力作用下又得到了充沛的破碎。在后续特地的热处置工艺中得到回复和再结晶，晶粒细化，以使轴的强度满足请求。第二锻后在中止第三锻时，由于炉温偏高，轮盘上破碎的晶粒在经过回复和再结晶后部分晶粒会发作二次再结晶，使轮盘的机械性能有所降低。而在实践操作中各锻件的保温时间略有差别，招致各锻件晶粒中呈现二次再结晶水平有差别，严重二次再结晶的锻件会使资料性能分歧格。轮盘机械性能合格和分歧格所对应的晶粒度见图3。

从应变速率上剖析，共用三锻，每轮变形速率偏大，GH4141高温合金自身高温下塑性低，变形抗力大，会构成每轮锻造操作时间较长。特别是轮盘直径由φ90mm-φ185mm只经一次墩盘，变形过大，锻造中随着资料与环境的热交流招致温度降低，资料塑性变差，在大的锻造应力作用下增大了发作决裂的可能性。另外，从操作方便水平上剖析，名义上看仅用3轮锻造便完成了锻构成型，似乎操作工作量小。实践上思索到每轮锻造时资料与环境的热交流招致温度降低，塑性变差，这就请求操作人员在尽可能短的时间内使资料的变形抵达请求，操作难度大。

5.3改进后的锻造工艺

鉴于原有锻造工艺种种缺陷所招致锻造废品率较高，批次分歧性较差等缘由，对原有的锻造工艺中止了改进，改进后的扼要工艺见表3。采用半模锻造，将整个锻造过程分为五个锻造阶段，共运用三套模具，各分上、下模。前两锻拔轴，运用一套。第三、第四锻墩盘，运用一套。第五锻拔轴，运用一套。

第一锻中止两侧轴的锻造，经过在模具上刻线来控制变形量，满足请求后将资料回炉重新加热中止第二锻拔轴，运用同样措施控制变形，之后将资料回炉加热中止第三锻墩盘，运用限位环来控制变形量，之后将资料回炉加热中止第四锻墩盘，靠模具自身外形控制变形，之后将资料回炉加热中止第五锻拔轴，模具上刻线来控制变形量。前四锻锻造炉温为1130℃，第五锻锻造前炉温为1040℃。

该工艺继承原有工艺中锻造后构成的纤维组织的方向与实践下作中受力状况相顺应的优点，同时仍采用半模锻，坚持了金属内部的应力状态相对较好的特性。改进后的工艺影响剖析如下：从锻造温度上剖析，前四锻炉温为1130℃，第五锻炉温为1040℃。第一锻、第二锻拔轴，轴上晶粒在两次庞大的锻造压应力作用下均得到充沛的破碎。之后均经过回复和再结晶，由于温度为1130℃，高于晶粒急剧长大温度，保温时间为15～25min，一部分晶粒会发作二次再结晶，但在第五锻拔轴时轴上的晶粒在庞大的压应力作用下又得到了充沛的破碎。在后续特地的热处置工艺中又得到回复和再结晶，晶粒细化，以使轴的强度满足请求。第三、第四锻墩盘过程中轮盘上粗大的晶粒在庞大的锻造压应力作用下得到充沛的破碎。由于第五锻炉温仅为1040℃，低于ll10℃晶粒会急剧长大温度，保温过程中轮盘上晶粒只发作回复和再结晶，不会呈现二次再结晶，晶粒不会长大。整个锻造过程温度合理，无论是轴上的还是轮盘上的晶粒均得到了细化，避免了二次再结晶发作，保障了强度。

从应变速率上剖析，分为五次锻造，使变形速率降低，较好地顺应了GH4141高温合金高温下塑性低、变形抗力大的特性，避免了发作决裂的可能性。同时由于变形速率降低，操作人员有较充沛的时间来操作，降低了操作人员的工作强度。

改进后的锻造工艺很好地处置了原有工艺的缺陷，可操作性强。产品合格率得到大大进步，批次稳定性好，节约了成本。

6结论

依据锻造原理，从影响金属塑性的要素以及锻造对金属组织和性能的影响等方面，对原有的GH4141资料涡轮转子毛坯的锻造工艺和改进后锻造工艺中止了剖析，结论如下：

1)原有的锻造T艺中轮盘处晶粒存在二次再结晶的可能，招致部分晶粒粗大，资料性能降落；改进后的锻造工艺，轮盘和轴中晶粒不存在二次再结晶问题，有效保障了强度请求。

2)原有的锻造工艺中，每次锻造变形速率偏大，在大的锻造应力作用下增大了发作决裂的可能性。改进后锻造工艺变形速率降低，避免了决裂的发作。

3)原有的锻造工艺对操作人员的技术水平请求高，操作难度大。改进后锻造工艺降低了操作人员的难度。

4)改进后锻造工艺产品合格率高，可操作性强，批次稳定性好，节约了成本。