GH4169合金涡轮盘锻件晶粒度分析和控制

罗恒军 谢 静 程 槿

(中国第二重型机械集团万航模锻厂，四川618013)

GH4169合金已经成为我国航空和航天工业应用的重要结构材料，航空发动机的涡轮盘、压气机盘等受力转动件大都采用GH4169合金制造。控制GH4169合金锻件质量的稳定性已成为发动机正常批量生产和安全应用的关键技术。因这些零件在工作过程中承受很高的蠕变载荷和交变应力，故要求其锻件的晶粒细小而均匀。我们以低压一级涡轮盘为典型件进行生产试制，并结合有限元模拟分析，通过对涡轮盘锻件内部晶粒度的分析和探讨，以提高对GH4169合金锻件的控制能力。

图1 低压一级涡轮盘典型锻件形状示意图Figure 1 The sketch map of low pressure one class turbine disc forging

1 试制及模拟过程

低压一级涡轮盘典型锻件形状见图1，它主要由中心连皮、轮毂、辐板和轮缘4部分构成。

图2 原材料显微组织 ×100Figure 2 The microstructure of raw material ×100

锻件试制用原材料规格∅240 mm×520 mm，晶粒度5.5级，见图2。原材料检验合格。

锻件生产路线：下料→倒角→包套→加热→镦饼→车端面探伤、腐蚀→机加∅90 mm定位孔→加热→模锻→水冷。

镦饼在50 MN油压机上进行，镦饼后车饼坯两端面，然后进行探伤和现场晶粒度检查，饼坯晶粒度评定为6级，见图3。

模锻在1MJ对击锤上进行，一火成形，成形后锻件进行水冷。

采用Deform-2D软件对模锻过程进行有限元模拟，模拟参数为：坯料材料为GH4169，模具材料为DINX5CrNiMo1810，始锻温度1 000℃。

图3 饼坯显微组织(现场高倍) ×100Figure 3 The microstructure of pancake (high power at site) ×100

模拟初始条件：转运30 s，模具预热温度为450℃，环境温度为20℃。

模拟边界条件：工件与模具的换热系数为4 000 W/(m2·K)(锤击阶段)和400 W/(m2·K)(锤击间隙阶段)，工件与周围环境间换热系数为20 W/(m2·K)。工件与模具接触面摩擦因子为0.2。

模锻过程总共打击18锤，每锤锤击能级都为0.5，锤击间隙为8 s。

2 结果分析

图4所示为低压一级涡轮盘锻件的显微组织，整个盘件内平均晶粒度为9～10级。轮毂上下端部晶粒度为10级，包含少量8级晶粒，轮毂中心部位的晶粒度为9级。

从低压一级涡轮盘锻件几何特征及成形过程来看，轮毂部位晶粒度的控制是一个难点。模锻过程中，轮毂部位主要以金属的反挤以及少量的轴向压缩方式成形。在整个变形过程中，轮毂部位的变形程度相对较小，尤其是轮毂中心部位变形更小，属于难变形区，且在模锻过程中，若锤击速度过快，该部位温升很快，从而容易导致晶粒长大。由于以上几种因素的共同作用，使得轮毂部位容易出现粗晶或混晶组织。

图5所示为模拟成形后锻件内等效应变和温度的分布情况。从图中可以看出，锻件的中心连皮、腹板以及大部分轮缘和轮毂部分的等效应变值大于0.7，且温度基本上大于960℃。因此这部分区域的动态再结晶可充分完成，显微组织是较好程度的完全再结晶组织。但在轮毂中心部位，终锻温度在1 000～1 010℃之间，温升较快，且该区域等效应变值为0.45左右，变形程度较小，从而导致晶粒较为粗大。轮毂上下端部，由于与模具接触，形成激冷层，且变形程度也相对较小，导致该区域出现少量的混晶组织。

图4 低压一级涡轮盘锻件的晶粒组织 ×100Figure 4 The microstructure of low pressure one class turbine disc forging ×100

图5 模锻结束时锻件内等效应变和温度的分布情况Figure 5 The distribution of equivalent strain and temperature of the forging after processing

3 控制和细化晶粒度的措施

(1)由于1MJ对击锤模锻成形时打击速度较快，热效应明显，且一级涡轮盘锻件的轮毂中心部位为难变形区，散热也比较困难，容易导致晶粒长大。因此为保证获得均匀细小的组织，模锻时要求严格控制各次锤击的轻重并适当延长锤击间隙，严禁连续重击。

(2)进一步优化坯料设计，增加锻件轮毂部位的变形量，以改善该区域的组织状况，达到细化晶粒的目的。

[1] 庄景云，等.编著.变形高温合金GH4169锻造工艺[M]. 北京：冶金工业出版社，2008.

[2] 刘东，罗子健.GH4169合金锻件的混晶组织.热加工工艺，2004，(9).

[3] 张海燕，张士宏，张伟红，程明.GH4169合金涡轮盘热模锻工艺的优化研究.塑性工程学报，2007，(14).