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      GH907合金是一種Fe-Co-Ni為基的低膨脹高溫合金，用Nb、Ti、Si 和微量B綜合強(qiáng)化，在650℃以下有高的強(qiáng)度、低的膨脹系數(shù)、良好的熱疲勞性能和幾乎恒定的彈性模量。低膨脹高溫合金是依靠“因瓦效應(yīng)”和“時效強(qiáng)化”發(fā)展起來的新型結(jié)構(gòu)材料，利用其膨脹系數(shù)低的特點，可以實現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)的間隙控制，尤其適合于制造各類航空發(fā)動機(jī)用的環(huán)形件。由于先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)發(fā)展的需要，我國對低膨脹高溫合金開始了相關(guān)研究。

 

   某航空發(fā)動機(jī)用GH907合金環(huán)形鍛件設(shè)計尺寸為Φ345mm×Φ245mm×100mm，內(nèi)徑較小，比較適合自由鍛成形。自由鍛成形設(shè)備簡單，易于操作，但存在變形不均勻的問題，容易導(dǎo)致鍛件組織不均。該鍛件進(jìn)行超聲波探傷時，發(fā)現(xiàn)部分鍛件的底波降低大于6dB，影響到對鍛件內(nèi)部缺陷的判定。對鍛件解剖分析發(fā)現(xiàn)，該鍛件探傷超標(biāo)是組織不均勻引起的。為了提高零件的使用安全，有必要研究改進(jìn)環(huán)形鍛件工藝，以改善鍛件的組織均勻性。本文采用超聲波檢測和組織分析的手段，研究底波降低與鍛件組織的關(guān)系；從鍛造工藝過程和原材料組織等方面， 研究鍛件組織不均勻的原因；針對性地對鍛造工藝進(jìn)行完善，將實驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證改進(jìn)工藝的可行性和合理性。

 

1、 試驗方法

 

      為了避免因化學(xué)成分不同帶來的實驗結(jié)果的偏差，實驗采用同一個鋼錠生產(chǎn)的GH907合金鍛制棒材， 分析成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%) 為：0.28C、0.29Si、38.3Ni、14.5Co、5.08Nb、1.68Ti、0.050Cr、0.05Al、0.65Mn 、0.005B、0.003、0.0015S、余量Fe。鋼錠由真空感應(yīng)+電渣重熔而成，經(jīng)均勻化處理后，鍛成Φ170mm和Φ155mm棒材。分析棒材的組織，研究其對鍛件組織性能的影響。實驗采用的工藝為“鐓粗+沖孔+擴(kuò)孔”，鍛造設(shè)備選用3t自由鍛錘，加熱設(shè)備均采用電爐。實驗方案如下。

 

    現(xiàn)行工藝：下料尺寸Φ170mm×255mm，鐓粗加熱溫度1090℃，一火鐓粗至100mm；沖孔加熱溫度1030℃，沖孔直徑Φ140mm；擴(kuò)孔加熱溫度1050℃，一火擴(kuò)至設(shè)計尺寸。   

 

    改進(jìn)工藝：下料尺寸Φ155mm×290 mm，鐓粗加熱溫度1050℃，一火鐓粗至100mm，軟包套；利用鐓粗余熱，鐓粗后直接沖孔，直徑?jīng)_孔準(zhǔn)110mm；擴(kuò)孔加熱溫度1030℃，一火擴(kuò)至設(shè)計尺寸，軟包套。   

      將環(huán)形鍛件按標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度“980℃保溫1h，空冷+775℃保溫12h，以55℃/h 爐冷至620℃保溫8h，空冷”進(jìn)行固溶和時效處理后，加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣， 測試室溫拉伸性能、540℃拉伸性能和540℃/825MPa 持久性能。用水浸法進(jìn)行超聲波探傷，檢測鍛件組織的均勻性，確定不同底波降低值對應(yīng)的晶粒度和級別差異，分析鍛件組織不均的原因。采用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察鍛件的組織，分析現(xiàn)行工藝和改進(jìn)工藝對合金力學(xué)性能的影響。對比兩種工藝鍛件的組織性能，驗證改進(jìn)工藝的合理性和可行性。

 

2、 試驗結(jié)果與分析 

 

2.1 原材料棒材組織   

 

     圖1為Φ170mm×255mm料段端面的探傷結(jié)果，中心深色區(qū)域表示超聲回波值最大區(qū)域，外周區(qū)域表示超聲回波值最小區(qū)域， 兩者之間的差值超過6dB，說明原材料心部和邊緣處晶粒組織存在較大的級差。圖2為實驗用GH907合金棒材的晶粒組織。可以看出，原始棒材心部組織較細(xì)，邊緣組織較粗，1/2半徑處存在比較明顯的混晶組織。

 

 

 

2.2 現(xiàn)行工藝鍛件的組織 

 

     圖3為現(xiàn)行工藝鍛件超聲波探傷的結(jié)果。鍛件不同部位底波降低不同，表明鍛件組織不均勻。按超聲波探傷確定的位置，在80%底波、35%底波和30%底波處，從徑軸向切取低倍試片，分析低倍組織；每片試片取上、中、下三處，分析橫截面的晶粒組織。鍛件的低倍組織未見冶金缺陷。圖4為鍛件的高倍組織。在80%底波( 圖4(a)) 處組織均勻，晶粒度在ASTM4-5級左右；在35%底波(圖4(b))和30%底波(圖4(c))處，組織不均勻，存在明顯的混晶現(xiàn)象。可見組織不均和局部粗大晶粒是鍛件探傷出現(xiàn)異常的主要原因。

 

 

2.3 現(xiàn)行工藝鍛件組織不均的原因分析   

 

     原材料的影響。原材料的組織具有一定的遺傳性，棒材中的粗大組織如果不能在鍛造過程中被充分破碎，會遺留在鍛件中，并在后續(xù)的加熱過程中進(jìn)一步長大，最終引起鍛件的組織局部粗大。   

 

     加熱溫度和次數(shù)的影響。文獻(xiàn)綜合國內(nèi)低膨脹高溫合金的研究進(jìn)展，確定了GH907合金環(huán)形鍛件的制造工藝參數(shù)：環(huán)坯鍛造的加熱溫度(1040±10)℃， 開鍛溫度不低于1020℃，終鍛溫度不低于850℃。而現(xiàn)行工藝中的加熱溫度采用了1090℃，溫度偏高；現(xiàn)行工藝中，沖孔單獨安排一次加熱，實際上如果采用適當(dāng)?shù)谋卮胧?，鐓粗后可以利用余熱直接進(jìn)行沖孔。加熱溫度越高，加熱火次越多，鍛件的晶粒越容易長大。    

 

     終鍛溫度的影響。自由鍛是一個累積變形的過程，錘擊次數(shù)多，持續(xù)時間長，現(xiàn)行工藝的鍛造過程中沒有采用保溫措施，當(dāng)受環(huán)境因素影響比較大時，鍛件溫降較大，不能保證終鍛溫度的要求時，也會出現(xiàn)組織不均勻。    

 

     鍛件尺寸的影響。該鍛件內(nèi)孔尺寸偏小而壁厚較大，結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致了鍛件的徑向變形量偏小，擴(kuò)孔變形不充分，如果控制不當(dāng)變形程度落入臨界變形區(qū)，容易造成晶粒粗大。

 

2.4 工藝改進(jìn)    

 

    下料尺寸?，F(xiàn)行工藝中采用Φ170mm×255mm料段，高徑比不足1.5，雖然保證鐓粗過程中不出現(xiàn)雙鼓，但高徑比偏小，也導(dǎo)致變形量偏小。另一方面，鋼錠由快鍛機(jī)鍛造而成，如果棒材直徑較大，說明由鋼錠到棒材的總變形量較小，可能導(dǎo)致棒材的晶粒組織比較粗大。在保證不出現(xiàn)雙鼓形的情況下宜采用小規(guī)格棒料，以增加鍛造變形量，提高鍛件的組織均勻性。改進(jìn)工藝中將下料尺寸改為Φ155mm×290mm。 

 

     加熱溫度。適當(dāng)降低加熱溫度，將鐓粗加熱溫度由1090℃降低到1050℃，將擴(kuò)孔加熱溫度由1050℃降低到1030℃。     

 

    終鍛溫度。改進(jìn)工藝采用軟包套技術(shù)，即采用硅酸鋁保溫氈包覆荒坯，減緩鍛件溫度降低速度，保證終鍛溫度在900℃以上為宜，以避免粗大晶粒的產(chǎn)生。    

 

    加熱火次。在采用軟包套的保溫措施后，利用鐓粗后的余熱，將沖孔安排在鐓粗后直接進(jìn)行，減少一次加熱。    

 

     變形量?，F(xiàn)行工藝中料段高255mm，一火鐓粗至100mm，變形量約61%；改進(jìn)工藝采用290mm，一火鐓粗至100mm，變形量約65%；改進(jìn)料段尺寸后，鐓粗的變形量略有提高。現(xiàn)行工藝中沖孔直徑準(zhǔn)140mm，改進(jìn)工藝直徑?jīng)_孔采用準(zhǔn)110mm；一火擴(kuò)至設(shè)計尺寸，擴(kuò)孔變形量由原來的25%提高到35%左右。

 

2.5 改進(jìn)工藝的實驗驗證     

 

      圖5(a)為超聲波探傷顯示圖。由圖可見，鍛件不同部位的底波降低基本一致， 表明鍛件組織較為均勻。圖5(b)為改進(jìn)工藝鍛件的組織。由圖可見晶粒尺寸大小均勻，未見明顯的粗大晶粒，進(jìn)一步說明改進(jìn)工藝可以明顯改善鍛件的組織。

 

     表1為鍛件的力學(xué)性能，兩種工藝相比而言，無論是室溫拉伸還是540℃拉伸， 改進(jìn)工藝鍛件的強(qiáng)度和塑性均有一定提高， 硬度相當(dāng)。兩種工藝的540℃/825MPa持久壽命分別達(dá)到169h和180h，均超過了標(biāo)準(zhǔn)要求， 缺口試樣持久壽命大于光滑試樣壽命，無缺口敏感性。

 

 

      綜上所述，改進(jìn)工藝采用軟包套技術(shù)，保證了終鍛溫度，避免了粗大晶粒的產(chǎn)生。采用Φ155mm規(guī)格棒料成形，使得棒材組織均勻有一定改善，并在一定程度上增加了鐓粗的變形量，得到的鍛件組織均勻性得到明顯改善，抗拉強(qiáng)度和塑性指標(biāo)有一定提高，表明改進(jìn)工藝是可行的。

 

3、 結(jié)論

 

     (1) GH907合金環(huán)形鍛件超聲波探傷超標(biāo)是組織不均勻造成的，加熱溫度偏高、終鍛變形量偏小、終鍛溫度偏低是導(dǎo)致鍛件組織不均勻的主要原因，原材料的混晶組織會加劇鍛件的組織不均。

 

     (2) 將鐓粗加熱溫度降到1050℃，終鍛變形量提高到35%左右，并采用軟包套技術(shù)以保證終鍛溫度，鍛件的組織均勻性得到明顯改善，力學(xué)性能有一定提高。