GH4141 涡轮转子高温合金锻造研究

GH4141 高温合金涡轮转子锻造工艺由于影响金属塑性的因素、锻造对金属组织和性能的影响等，为了承受高温、高速和高负荷，分析了原始锻造工艺并指出了不足。 改进的锻造工艺成功地解决了原有工艺的缺点，操作性、批次稳定性、产品合格率都得到了极大的提高，成本也大大降低。

目录

起先

1、高温合金GH4141的化学成分和力学性能指标

2. 锻造的基本原理

3. 影响金属塑性的因素

4. 锻造的金相和冲击性能

5. GH4141 材料涡轮转子毛坯锻造工艺研究5.1 锻件5.2 独特的锻造工艺5.3 锻造工艺的改进

6. 总结

起先

由于高温、高速、空气动力学影响等，液体火箭发动机中涡轮转子的工作环境通常很恶劣。 某些类型的液体火箭发动机以高达 30,000 rpm 的涡轮速度运行，涡轮腔中的气体温度可高达 1123 K。 为了增加涡轮转子的机械强度，以及保证圆盘的安全，并旋转轴 连接简单可靠，涡轮转子可采用一体式结构。 即转子叶片格栅和盘是一体化的，同时传动轴和盘是一体化的。 圆盘的结构似乎在轴外径的大小上存在显着差异。 直接加工棒材更实用，但不经济，通常是整体锻造的。 因此，涡轮转子的锻造工艺成为影响转子机械性能的重要因素。 如果机械性能不合格，就会出现叶片断裂、圆盘破裂等故障，使发动机无法正常工作，直接导致发射任务失败。

GH4141的材料性能决定了锻造加工温度范围窄且不易变形，因此确定科学合理的锻造工艺，保证工作的可靠性，降低产品的废品率，节省生产成本非常重要。

1、高温合金GH4141的化学成分和力学性能指标

表 4141 显示了高温合金 GH1 机械性能所需的指标。

表 1 GH4141 高温合金力学性能

TK

材料等级

（σb/ 兆帕

σ0.2/ 兆帕

δ/％

ψ/%

AK/].cm-2

短期耐力

20

编号 GH4141

≥1176

≥882

≥12

≥12

≥14.7

–

800

编号 GH4141

≥735

≥637

≥15

≥20

–

1.5（σ=588MPa）

2. 锻造的基本原理

从变形开始到塑性材料断裂，分为弹性变形、塑性变形、断裂三个阶段。 弹性变形发生在变形的早期阶段，塑性变形发生在变形的第二阶段。 当塑性变形达到极限状态时，金属的连续性和完整性被破坏，从而导致裂纹或破坏。 锻造是将塑料金属加热到高温以使其变形成预定形状而不断裂的过程。

金属的塑性变形是晶体和多晶晶体的微观塑性变形，通常大多数金属是多晶的，是由晶体组成的各种颗粒的大量形状、体积和晶格取向制成的。 颗粒之间的晶界处于交织状态，晶界中每个颗粒的内部变形由于颗粒杂质和相邻的阻碍颗粒，变形阻力大。 如果金属的成分相同，晶粒越细，抗变形能力越大，强度越高。 同时，由于每个颗粒的晶格取向不同，塑性变形不会同时以相同的程度发生在所有颗粒中，而是首先发生在对颗粒滑移发生贡献最大的颗粒中。 因此，颗粒中的塑性变形分布越均匀，颗粒越多，塑性就越好，因为金属可以承受整体的大变形而不会被破坏。

金属在高温下发生塑性变形，颗粒在靠近晶格的滑动面上发生畸变和颗粒碎裂，原子在高温下的扩散速率非常大。 原子排列趋向于使响应的过程归一化，响应只能去除晶格的变形，它不会改变粒子的形状和大小，也不能去除破碎的粒子。 当原子的活性进一步增强时，破碎和变形的颗粒长到破碎的晶体块的中心，成为新的更小的颗粒。 这个过程称为重结晶。 再结晶后，晶粒经过细化，可塑性可以不断提高和锻造。 通常，在进行锻造时，金属的温度迅速下降，塑性变差，再结晶速率迅速下降。 此时，如果变形继续，变形阻力会增加，并发生破裂。 它可以重新加热以提高温度，同时完全重结晶以提高可塑性。 但是，假设金属的温度在再结晶过程中继续升高。 在这种情况下，再结晶后，晶粒组装生长，发生二次重结晶，材料的性能变差。

3. 影响金属塑性的因素

除了金属本身的化学成分外，不仅组织的状态，而且以下条件对可塑性也有重大影响：

（1） 变形温度。 塑性变形的一般温度越高，再结晶速度越快，塑性越好，金属的锻造性能越好。 但由于变形温度过高，晶粒的生长和塑性会急剧下降。

（2） 应变率。 它是每单位时间的相对变形程度。 当应变率增加时，恢复和再结晶不能及时克服加工硬化的作用，塑性降低。 因此，由于材料塑性低的性质，它应经过多个锻件，每次返回炉中，然后经过响应和再结晶，从而得到较低的应变率和提高的塑性。

（3） 应力状态。 金属材料会受到各种变形方法的影响。 内部应力状态不同。 例如，拉伸零件的应力状态是三个方向上的压应力。 钢坯上下同一零件的两个压力方向、拉力方向和应力状态并不相同。 当施加压应力时，点之间的金属往往会靠得更近，而当施加拉应力时，金属更容易破裂。 因此，三个应力方向上的压应力数量越大，金属的塑性就越好。 然而，在变形过程中的压应力下，金属的内摩擦增加，变形阻力增加。

4. 锻造的金相和冲击性能

锻造不仅会改变金属的形状，还会改变内部结构，例如，影响材料的机械性能。

（1）将材料的内部空心缺陷，如锻件压应力中的松动、微裂纹等缺陷压缩至焊接，提高组织致密性。

（2）晶粒小型化，粗晶粒在完全破坏的作用下，在巨大的压应力下锻造而成。 晶粒的形成大小根据变形温度和再结晶后的变形程度重整晶粒。 通常，在达到一定变形程度后，变形温度越低，晶粒越细。

（2） 纤维组织的形成。 在锻造金属的塑性变形中，金属内部的非金属夹杂物沿变形方向呈带状或链状分布。 这种组织称为纤维组织。 纤维组织的形成使金属的机械性能具有方向性，因此沿纤维方向的塑性和韧性高于垂直于纤维方向的方向。 但是，金属在这两个方向上的强度相差不大。

5. GH4141 材料涡轮转子毛坯锻造工艺研究

5.1 锻件

锻造材料如图 1 所示。 图 1 中的左图是锻造前的总材料图，右图是锻造后的材料图。

图 1 锻造前后的材料形状

5.2 独特的锻造工艺

GH4141 材料的晶界结构为多晶结构，具有合金化程度高、高温下机械性能好、抗变形、塑性低等性能。 从图 1 中可以看出，与材料中心状态相比，钢坯状态的圆盘直径增加了 XNUMX 倍以上，轴径增加了近 XNUMX 倍，材料的变形非常大。 涡轮机的运行环境要求转子具有优异的高温性能。 对相应锻造工艺的要求也更高。

原始简化锻造工艺如表 2 所示。

表 2 简单的锻造工艺

锻造序列

预锻造炉温度和保温时间

变形量/mm

设备

最终锻造温度

第一根锻造拉丝轴

在炉内加热至 700°C，在 900 分钟内加热至 120°C，并在炉内加热至 1120°C 40 至 60 分钟以进行隔热

Φ54→Φ45

2T 蒸汽锤，油炉

≥980°C

Secondary Forged Peer Plate

1120°C，20 分钟

Φ90→Φ185

3T 蒸汽锤，油炉

≥980°C

三阶锻造拉丝轴

1120°C，20 分钟

Φ45→Φ32

2T 蒸汽锤，油炉

≥980°C

采用介于自由锻和模锻之间的半模锻造。 考虑到毛坯的组织在锻造前后发生了显着变化，不可能在一次锻造中调整其形状。 整个锻造过程分为两个阶段：拉轴、对等板和拉轴。 模具分为上下模，使用XNUMX套。 XNUMX 和 XNUMX 个锻造轴拉成套，XNUMX 个锻造对等圆盘成套 - 图 XNUMX 中的模具草图。

第一次锻造锻造轴的两侧，在锻造过程中，由于材料与环境的热交换，其温度会降低，塑性会降低，就不适合继续锻造，材料会恢复到原来的状态。 返回炉中再加热第二锻件垫板，再返回再加热炉变形并拉动轴，以达到第三锻件的要求。

图 2 模具示意图

在锻造过程中形成后，去除了材料松散、微裂纹和其他缺陷，提高了组织的致密性。 它可以平衡锻造形成的纤维结构的方向和实际力的工作，并满足要求。 同时，由于使用了半模锻，金属的内应力状态相对较好。 实际锻件的产品合格率低，批次稳定性差，产品成本高。 以下主要是由于锻造性能对其余两个方面的影响分析。

从锻造温度分析表明，经过初步工艺探索后，GH4141 材料的晶粒在 1°C 左右迅速生长，超过 110°C 时晶粒尺寸发生变化。 锻造在第一次锻造炉温度 1120°C，晶粒生长温度范围，锻造在巨大的压应力作用下，在轴线上完全破碎的粗晶粒。 后来，第 1120 次锻造后，第 1120 次锻造炉加热，3°C 的温度，略微超过了晶粒温度的快速生长，会导致回程后轴上的晶粒粉碎和第 XNUMX 次再结晶后一些晶粒的再结晶，但在第 XNUMX 次锻造中，轴的颗粒在巨大的压应力下被完全破坏。 然后，晶体在特殊的热处理工艺中返回和再结晶，以细化晶粒并确保轴的强度符合要求。 XNUMX 级锻造后，由于 XNUMX 级锻造炉温高，断裂晶粒上的砂轮会响应 XNUMX 级再结晶晶粒中的一些而再结晶，砂轮的机械性能会变差。 在实践中，每个锻件的保留时间略有不同，导致每个锻件的晶粒二次再结晶程度不同。 如果锻件的二次再结晶变得严重，则材料性能将不合格。 根据粒径的合格和不合格车轮的机械性能如图 XNUMX 所示。

从应变率分析，4141锻件单独进行，每次变形率大，GH90高温合金本身高温塑性低，抗变形能力大，每次锻造工作时间较长。 特别是轮径Φ185mm→ΦXNUMXmm对于单独的对等板来说太大了，由于材料和热交换环境的锻造会导致低温、材料的塑性变质，并在大锻造应力的作用下增加。 可能破裂。

此外，从可加工性分析来看，锻造成型品仅用三个锻件就完成了，因此工作量小。 事实上，考虑到每轮锻造过程中材料与环境的热交换，温度会降低，塑性会降低，因此操作者将不得不在短时间内使材料变形才能满足要求。 使其尽可能难以操作。

图 3 粒度图

5.3 锻造工艺的改进

针对原锻造工艺因锻造废品率高、批次一致性差等造成的缺点，在表3所示的简单工艺改进后，对原锻造工艺进行了改进。

半模锻是通过总共使用三套模具将整个过程分为五个锻造阶段来进行的，这些模具分为上下模具。 拉动前两个锻造轴并将它们成组使用。 第三和第四个伪造的对等光盘成套使用。 第五个锻造轴是一套。

表 3 简单的锻造工艺

锻造序列

预锻造炉温度和保温时间

变形量/mm

设备

最终锻造温度

第一根锻造拉丝轴

700°C 炉，900 分钟以上加热至 120°C，转移到 1130°C 炉中保温 50~70 分钟

长度：224→250-260

2T蒸汽锤、电炉

≧980°C

次级锻造拉丝轴

1130°C，15~25 分钟

长度：250-260→280-290

2T蒸汽锤、电炉

≧980°C

第三级锻造对等板

1130°C，15~25 分钟

Φ90 零件长度 110→38

3T蒸汽锤、电炉

≧980°C

四阶锻造对等板

1130°C，15~25 分钟

38→24 元

3T蒸汽锤、电炉

≧980°C

第 5 锻造拉丝轴

1040°C，15~25 分钟

总长度达到 214

2T蒸汽锤、电炉

≧980°C

首先锻造锻造轴两侧，穿过模具上线控制变形量，满足材料的要求，然后返回炉中再加热并拉出第 1130 个锻造轴，使用相同的控制方法。 确认变形后，返回炉内加热第 1040 锻墩板的材料。 限位环用于控制变形量，然后返回炉中加热第 XNUMX 个锻造墩板的材料。 第XNUMX次锻轴拉拔回炉材料形状的变形由模具本身控制，第XNUMX次锻轴拉拔回炉加热的材料变形由模具本身控制，模具的雕刻线变形由模具控制。 XNUMX 级锻造的炉温为 XNUMX °C，XNUMX 级锻造为 XNUMX °C。

制造方法继承了原始工艺，其中考虑了锻造后纤维组织的形成方向和力的实际作用，同时采用半模锻，将内部金属的应力状态保持在相对良好的特性。 改进过程的影响分析如下：

从锻造温度分析来看，前两炉锻造炉的温度为 1130°C，第 1040 炉的锻造炉温度为 1130°C。 初锻、二锻拉轴，15个巨大的锻压应力完全破坏轴磨料。 毕竟，回铸再结晶后，由于温度为 25°C，晶粒的温度较高，保持时间 1040-XNUMX 分钟会导致部分晶粒在第 XNUMX 次再结晶中出现，但在第 XNUMX 次锻造中，轴会在巨大的压应力下拉动轴颗粒，然后被完全粉碎。 之后，采用特殊的热处理工艺对晶粒进行再结晶和细化，使轴的强度满足要求。 在第 XNUMX 次和第 XNUMX 次锻造对等盘过程中，车轮的粗晶被巨大的锻造压应力完全破坏。 第 XNUMX 炉的温度仅为 XNUMX °C，低于 XNUMX °C，因此磨粒迅速生长。 砂轮的绝缘过程仅发生在磨粒的背面和再结晶上。 不会发生二次再结晶，晶粒也不会生长。 无论是轴还是轮，整个锻造过程的温度适中，对晶粒进行细化，避免发生二次再结晶，保证强度。

应变率分析分为4141个锻件，使变形率降低，很好地适应GHXNUMX高温合金，高温塑性低，变形阻力大，避免了断裂的可能性。 同时，低变形率使操作者有更多的操作时间，从而降低了操作者的工作强度。

改进的锻造工艺成功地解决了原有工艺的缺点，即可操作性。 产品合格率大大提高，批次稳定性好，降低成本。

6. 总结

根据锻造原理，从影响锻造对金属塑性和金相组织影响的因素，以及原始GH4141材料涡轮转子毛坯锻造工艺和改进的锻造工艺分析的特点，得出如下结论：

1）磨粒在原始锻造过程中可能会发生二次再结晶，导致磨粒部分粗化和材料性能变差。 改进的锻造工艺确保轴的晶粒中没有出现二次再结晶的问题，有效地保证了强度要求。

2）在原始锻造过程中，每个锻件的变形率大，由于锻造应力大的作用，断裂的可能性很高。 锻造工艺的改进降低了变形速度，避免了断裂的发生。

3）独特的锻造工艺要求操作者技术水平高，操作难度大。 改进的锻造工艺降低了操作员的难度。

4） 改进的锻造工艺合格率高，可操作性强，批次稳定性好，节约成本。