GH4169涡轮盘晶粒度控制技术研究

罗恒军 谢 静 齐占福 程 槿 沈文涛 刘晓飞

(1.中国第二重型机械集团万航模锻厂，四川618013；2.机械科学研究总院，北京10083)

航空发动机是航空工业的“王冠”，其制造技术决定前着航空工业的发展水平。GH4169合金是航空发动机重要的结构材料，在工作中往往承受很高的蠕变载荷和交变应力，对组织和性能要求很高。但GH4169合金的组织和性能对热加工工艺参数非常敏感，要使批量生产的锻件质量保持稳定很困难。我们以九级涡轮盘作为研究对象，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，确定锻件饼坯高度和轮缘高度对锻件晶粒度的影响，以提高对GH4169合金锻件质量的控制能力。

1 数值模拟分析

九级涡轮盘的轴截面如图1所示。为了较直观描述锻件的整个成形过程，我们选取锻件轴截面不同区域共6个关键点作为研究点，以研究不同的工艺和设计方案对锻件最终晶粒度水平的影响。

图1 九级涡轮盘轴截面6个跟踪点位置Figure 1 The positions of 6 tracking points of ninth level turbine disk

为了获得在1MJ对击锤上生产的优化工艺，我们采用Deform-3D软件对不同饼坯高度(200 mm、220 mm和240 mm)和不同轮缘高度(35 mm和40 mm)的工艺方案进行了成形模拟。

模拟参数为：坯料材料为GH4169，模具材料为5CrNiMo；锻造温度1 010℃，转运时间60 s，模具预热温度为350℃，环境温度为20℃，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。

从图2和图3中可以看出，随着坯料高度增加，锻造中锻件各区域的温度和应变总体上相应增大，但差别幅度不大。温度上最大差值在20℃左右；应变上差值在0.2左右。我们尤其注意到在点3处(试环位置)，该处的变形量较小(等效应变0.35左右)，温度也较低(935℃左右)。事实上考虑到模具的激冷作用，温度往往更低。因此在模锻过程中，该区域的晶粒往往难以充分完成再结晶，容易出现混晶现象，导致晶粒度水平下降。我们可以观察到，随着坯料高度的增加，点3区域的变形和温度有所增加，显然有利于再结晶的充分完成。

从图4中可以看出，轮缘高度增加5 mm，对整个锻件中温度和应变的影响不是很明显。但我们观察3点区域，随着轮缘高度的增加，该点的温度和应变水平都有一定程度的提高，显然也有利于锻件晶粒的再结晶。此外，适当增加轮缘高度，可有效减少模具激冷对轮缘处3点区域的影响。

(a)温度 (b)等效应变(粗线：饼坯高度220 mm；细线：饼坯高度200 mm)图2 不同高度坯料的各跟踪点温度、等效应变变化情况Figure 2 The variety of temperature and equivalent strain of the tracking points for different height of blanks

(a)温度 (b)等效应变(粗线：饼坯高度220 mm；细线：饼坯高度240 mm)图3 不同高度坯料的各跟踪点温度、等效应变变化情况Figure 3 The variety of temperature and equivalent strain of the tracking points for different height of blanks

(a)温度 (b)等效应变(粗线：轮缘高度35 mm；细线：轮缘高度40 mm)图4 不同轮缘高度下锻件的各跟踪点温度、等效应变变化情况Figure 4 The variety of temperature and equivalent strain of the tracking points for different height of rims

2 试制生产过程

锻件试制用原材料平均晶粒度为5级，其余性能均检验合格。

锻件生产路线：下料—倒角—包套—加热—镦饼—车端面探伤、腐蚀—机加定位孔—加热—模锻—热处理。

镦饼在50 MN油压机上进行，模锻在1MJ对击锤上进行，一火成形，成形后进行空冷。

根据模拟结果，我们优化了工艺，提出了生产控制要点。我们对试制出的典型件进行了全面解剖分析，以观察整个盘件的晶粒度水平。

图5所示为九级涡轮盘典型件的显微组织，除轮缘部位晶粒略粗外，整个盘件内平均晶粒度为8～10级(标准要求为8级)。从九级涡轮盘锻件几何特征及成形过程来看，轮缘部位晶粒度的控制是一个难点。在整个变形过程中，轮缘部位的变形程度相对较小，且在模锻过程中，由于与模具接触，形成激冷层，再结晶往往很难充分完成，导致该区域出现少量的混晶组织。

图5 九级涡轮盘晶粒度Figure 5 The grain size of ninth level turbine disk

3 结论

(1)适当增加饼坯高度，增大锻件轮缘部位的变形量，可改善该区域的组织状况，达到晶粒细化的目的。

(2)随着轮缘高度的增加，轮缘区域的温度和变形都有一定程度的提高，且可有效减少模具激冷作用对试环的影响，有利于晶粒的再结晶。

[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).

[4] 罗恒军，谢静，程槿.GH4169合金涡轮盘锻件晶粒度分析和控制.大型铸锻件，2010(6).