Inconel 718十二角头螺栓制造工艺技术研究

中航工业北京航空制造工程研究所 王玉凤 刘风雷 庄宝潼

高温合金是航空、航天和核工业中重要的结构材料，因其优异的高温力学性能，被广泛用于制作航空发动机的各类部件[1]。随着航空发动机技术的不断进步，高温合金得到了迅速发展。镍基高温合金Inconel 718是一种镍铁基变形高温合金，具有很高的强度、韧性、耐疲劳性能及良好的综合性能，尤其是在650℃以下，其力学性能具有很好的稳定性[2-3]。Inconel 718合金是目前航空发动机上应用最为广泛的高温合金，主要应用于发动机的转动部件、机匣、紧固件和其他零件。Inconel 718十二角头螺栓是发动机上应用较为普遍的紧固件，也是高温高强紧固件的代表性产品。

国外对航空、航天领域有关的高温合金材料，尤其是Inconel 718合金的工艺和应用进行了严格的保密，因此其材料特性和制造工艺需要自行研究。强度等级为1515 MPa的Inconel 718合金在原材料制备时经过特殊处理，加工难度最大。Inconel 718合金的合金化程度较高，导致其热加工性能恶化，热变形区域缩小，因此加大了热成形难度。同时，由于材料的强度高、塑性低，热处理后Inconel 718材料抗拉强度可达1515MPa以上，硬度为HRC43～48，使得后续的制造加工困难。本文针对Inconel 718十二角头螺栓的材料特性和结构特点，讨论螺栓的关键加工技术和制造工艺，确定最优工艺参数，以实现该产品的批量加工。

1 产品特点

1.1 螺栓结构及性能要求

十二角头螺栓的结构如图1所示，其中头部采用热镦锻的方式加工，杆部采用磨削的方式加工，螺纹部位采用滚压的方式加工。螺栓头部形状复杂，具有十二角扳拧结构，在扳拧的时候受力充分且扳手不易滑脱；在十二角头底部带有法兰台，作为安装后的承力部位。本文要研究的螺栓加工精度要求较高，以-4规格产品为例来阐述螺栓的制造技术，其杆部直径为φ6.34mm，性能要求如表1所示。

1.2 材料特性及成形难点

图1 十二角头螺栓结构Fig.1 Structure of twelve-point bolt

表1 Inconel 718十二角头螺栓性能要求

Inconel 718高温合金具有以下不同于一般金属材料的成形特点[4]。

(1)塑性低。较高的合金化程度导致高温合金的工艺塑性较低，其工艺性对变形速度和应力状态很敏感。

(2)变形抗力大。Inconel 718高温合金的成分复杂，在变形温度下具有较高的变形抗力和硬化倾向。

(3)热加工温度范围窄。Inconel 718高温合金为面心立方结构，层错能较低，动态再结晶是热加工过程中的重要软化机制，也是细化晶粒的主要途径之一。为了得到均匀的晶粒组织，合金的热加工应在再结晶温度以上进行，Inconel 718高温合金再结晶温度较高，约为969℃。而较多的合金元素的加入使合金的熔点偏低，约为1219℃。十二角螺栓头部成形时变形量较大，需要有足够的塑性，因此，合金可进行的热加工温度范围比较小。由于热加工范围窄，温度控制较难，温度过高会产生过热或过烧等缺陷。

2 加工工艺

Inconel 718十二角头螺栓采用棒材加工，材料满足AMS5662标准的要求。主要制造工艺路线为：下料→热镦锻→热处理→磨削→车加工→滚压螺纹→圆角强化→标记→表面处理→包装，其中热镦锻、热处理、滚压螺纹是关键工艺过程，下面将针对这几个工艺进行探讨。

2.1 热镦锻

十二角头螺栓具有头部形状复杂、变形量大、难以成形等特点。螺栓头部的十二角扳拧部位下部为法兰面，金属在镦锻成形时趋向于向阻力最小的位置流动，因此在成形时不易积聚在型腔内部，而是向法兰面外的飞边处堆积，使得十二个棱边填充困难，因此镦锻时的体积分配和模具型腔的设计很重要。Inconel 718合金是典型的工艺敏感型合金，锻造温度区间狭窄，其热加工工艺，尤其是锻造温度的控制，对锻件质量起着至关重要的作用[5]。加热温度过低，金属流动性不够，十二个棱边填充不满；加热温度过高，金属容易产生过热、过烧现象，螺栓头部会产生热裂纹，因此关键是解决模具设计和温度控制问题。

(1)模具及镦锻方式。

由于十二角头螺栓强度较高，使用的Inconel 718棒材是高强度拉拔材料，因此只能采用单个加热镦锻方式。根据镦锻比，对镦锻模具进行两次变形的体积分配，确定初冲和二冲模具型腔的形状。坯料在加热后，在初冲型腔里初步成形，在二冲型腔里得到最终的形状。在高温状态下，Inconel 718高温合金材料的粘性很大，容易粘在模具上，影响镦锻件的脱模，并且在成型的头部表面留下划痕，影响表面质量，因此在镦锻前要对坯料进行润滑处理，使用的润滑剂在高温状态下应不挥发。

(2)镦锻温度。

Inconel718高温合金的强度、塑性与温度关系如图2所示。可以看出，900℃时材料塑性才有较明显的上升，直到1100℃时材料仍有较好的塑性。结合1.2节中所述的温度范围，以50℃为区间，将加热温度划为A、B、C、D 4个温度带，分别进行镦锻工艺试验，根据试验结果来确定最优的镦锻温度。试验结果如表2所示。

图2 Inconel 718材料强度、塑性随温度的变化图Fig.2 Variations of inconel 718 strength and plasticity with temperature

由以上各温度带的镦制件可以看出：螺栓在C温度带镦锻时，头部成形充分，产生的少量飞边没有造成材料过多浪费，可以确定为最优镦锻温度范围。同时根据镦锻试验结果，可以看到螺栓头部材料先是在法兰面飞边处堆积成形，其次再填充十二角棱边，这与前面的理论分析是相吻合的。

2.2 热处理

十二角头螺栓采用的是Inconel 718高温合金棒材，材料的原始状态为固溶退火状态，并进行了加工硬化。产品要达到最终性能，需要对镦锻件进行热处理，使制件得到时效强化，达到沉淀硬化状态，以获得高强度及良好的塑性等综合能力。为了获得最佳热处理制度，采用以下3种热处理方案：(1)690℃等温退火；(2)718℃等温退火；(3)788℃水淬。通过对比3种热处理方案下试验件的性能，得出最优的热处理制度(图3)。

表2 不同温度带的镦制件

通过以上试验对比可以看出，对于抗拉性能来说，热处理制度2的螺栓为3种热处理状态中抗拉值最大的，且波动性较小，一致性也是最好的；对于双剪性能来说，热处理制度2的螺栓双剪数值不是最大的，但是也远高于要求值，且波动控制在0.36kN的范围内，一致性最好；此外3种热处理制度的螺栓疲劳寿命一致，在规定载荷状态下都达到了130000次。综上所述，热处理制度2的螺栓3种力学性能最优，为该拉拔应力状态下的最优热处理制度。

2.3 滚压螺纹

Inconel 718高温合金的强度要求达到1515MPa以上，其硬度较高，可达到HRC43～48，塑性较差，材料产生的加工硬化严重。如果进行冷滚压加工，使得加工存在以下问题：一是滚丝轮寿命较短，滚压数件或数十件螺纹毛坯后滚丝轮产生崩齿的问题(见图4)；二是滚压件很容易产生裂纹、折叠超标等缺陷(如图5所示)，不适合批量生产，同时也不能满足产品的质量要求。针对以上问题，决定采用温滚压的方式加工螺纹。材料在加热以后强度降低，加工硬化现象缓解，流动性增强，易于滚压成形，可以有效解决滚丝轮崩齿和螺纹质量问题。温滚螺纹工艺中，滚压温度、滚压力、滚压时间等滚压参数以及螺纹毛坯尺寸是制造过程控制的关键，需要通过工艺试验来确定。

图3 热处理试验对比Fig.3 Comparisons of heat treatment tests

图4 滚丝轮崩齿Fig.4 Damage of thread rolling wheel

图5 螺纹裂纹Fig.5 Cracking on thread

表3 试验结果(平均值)

螺栓在温滚压后，通过千分尺、轮廓测量仪和螺纹通止规来检验螺纹尺寸，通过金相分析确认螺纹流线是否合格。螺纹在温滚压冷却后，通常会产生0.02～0.04mm的回弹，这是不同于冷滚需要额外控制的地方，因此在温滚压的时候要进行尺寸补偿。

3 研制试件评估

3.1 外观尺寸和冶金特性

最终加工完成的Inconel 718十二角头螺栓如图6所示。产品标准和规范中要求螺栓尺寸和表面粗糙度应符合图纸要求，表面不应有裂纹、毛刺、刮伤、凹痕和其他机械损伤；头部和螺纹晶粒流线连续，微观组织没有裂纹和夹杂，螺纹牙底和侧面无折叠及发纹等缺陷。经检测，研制件尺寸和表面质量合格，冶金特性也满足技术规范的要求。

图6 研制件成品Fig.6 Finished product

3.2 机械性能试验

根据产品规范的要求，Inconel 718十二角头螺栓的试验内容包括：拉伸试验、双剪试验、疲劳试验、高温拉伸、应力破坏。试验方法依据GJB 715，为试验机配备专用的试验夹具进行检测，试验数据见表3。结果表明，螺栓的机械性能均符合规范的要求。

4 结论

本文介绍了Inconel 718十二角头螺栓的材料及结构特点，针对热镦锻、热处理和滚压螺纹等工艺重点和难点进行了分析，通过工艺试验得到以下结论。

(1)热镦锻的关键是模具设计和温度的控制，采用一模两冲的单个镦锻方式，温度控制在C温度段，可以镦锻出合格的头部形状，并且内部组织无裂纹、发纹等缺陷；

(2)通过3种热处理方案对比，718℃等温退火热处理制度下的螺栓具有最优的综合性能，确定其为最优热处理制度；

(3)采用温滚压的方式加工螺纹，解决了滚丝轮崩齿和螺纹裂纹的问题，通过工艺试验确定了合理的滚压工艺参数。

[1] 王长瑞.GH4169高温合金超塑成型+连接组合技术[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

[2] 李淼泉，王小津，苏少博，等.GH4169合金塑性变形行为及加工图.中国机械工程，2008，19(15):1867-1870.

[3] 齐欢.Inconel 718(GH4169)高温合金的发展与工艺.材料工程，2012(8):92-100.

[4] 隋凤利.GH4169合金热连轧过程的数值模拟与工艺研究[D].沈阳：东北大学，2009.

[5] 吕旭东，邓群，杜金辉，等.GH4169合金盘件热模锻工艺优化.钢铁研究学报，2011，23(2):158-161.