镍基高温合金盘轴件模锻折叠缺陷分析与质量提升

文／李玉凤，李晓婷，胡艳梅，洪鑫，赵东强·无锡透平叶片有限公司

基于理论与实践，采用试验分析的方式对某GH4698 合金盘轴锻件模锻折叠缺陷进行了定性分析，确定为折叠缺陷后，通过生产复查、数值模拟分析等方法对折叠缺陷的形成原因进行了深入分析。结合锻件质量要求和生产条件对制坯工艺进行了优化，将其自由镦粗优化为胎模成形，通过试制获得表面质量和形位尺寸良好的坯料和无折叠缺陷的锻件，为后续类似盘轴结构产品的生产提供可靠的技术指导。

GH4698合金是镍基时效沉淀强化型高温合金，在500 ～800℃范围内具有很高的持久强度和良好的综合性能，多用于内燃机等发动机用涡轮盘、轴颈锻件、紧固件等关键部件。由于其合金化程度较高，热加工工艺窗口较窄，生产过程的控制难度大。该盘轴类锻件高径比为1.1，兼具盘类和轴类锻件的结构特征，为了获得形状尺寸和组织性能合格且变形均匀的锻件，采用镦挤复合成形工艺。该工艺对于坯料的设计和过程的控制要求较高，生产过程中镦粗变形和挤压变形的交汇区域容易出现折叠、反挤的端头位置则容易出现填充不满等缺陷。本文基于实际生产案例，采用逆向思维全面深入分析了模锻过程折叠缺陷的成因并制定了有效的控制和预防措施，提高了生产效率和锻件的成形质量。

锻件折叠缺陷分析

GH4698 合金某试验锻件模锻后在锻件分模面靠上模的圆周面出现了一个明显的折叠缺陷，缺陷最大轮廓尺寸为长50mm、高7mm，深度未知，折叠缺陷的具体形态见图1。为了确定缺陷沿锻件径向的深度并进一步明确缺陷的性质，在缺陷位置切取1 块试样进行径轴面低倍检查。

图2 展示了缺陷在锻件径轴面上沿径向的尺寸和形态，由此可判断缺陷的深度尺寸为12mm，裂纹折缝与锻件的水平面有约30°的倾斜角，纹路与流线的方向相似；图3 展示了裂纹尾端的形态，裂纹尾端出现了放射状的分叉且折缝内壁有明显的氧化现象，因此可进一步判定该缺陷为锻造折叠缺陷。

锻件折叠缺陷成因分析

折叠缺陷是锻件成形过程中常见的表面缺陷，成因主要有以下4 种类型：①两股或多股金属对流汇集形成的汇流折叠；②变形过程中部分金属压入另一部分金属形成的压入型折叠；③金属变形过程中，由于流动失稳发生弯曲折入的失稳型折叠；④失稳后汇流等混合型折叠缺陷。

基于以上理论分析对问题试验件的成形过程进行了复查，并对成形过程进行了数值模拟分析，结合模拟数据发现坯料与模具接触后发生了轻微的失稳，但成形后未发生折叠缺陷。经分析坯料的高径比为0.88，坯料失稳是因为镦挤复合成形工艺导致的轻微失稳，为了进步一查找试验件中折叠缺陷产生的原因，对生产过程进行了复查。

对试验件生产过程进行复查时发现，坯料表面质量差，形状不规则，中心轴倾斜且圆周面上有明显的内凹。坯料偏斜和圆周面内凹容易加剧坯料在成形过程中的失稳，因此根据坯料实物图的形状尺寸建立了数值模拟模型，通过数值模拟再现表面质量欠佳的坯料成形过程。

数值模拟结果显示，坯料在成形过程中圆周面内凹区域出现了明显的折叠缺陷，折叠缺陷的形成过程如图4 所示，坯料内凹和倾斜加剧了坯料失稳，材料与模具圆周面接触后内凹区域的材料随着成形过程发生弯折被压入锻件，最终形成了折叠缺陷。数值模拟显示的折叠缺陷位置与锻件折叠缺陷位置一致，均位于上模靠近分模面的位置。因此，坯料形状歪斜和局部内凹加剧了坯料成形过程失稳，材料弯折被压入锻件形成试验件折叠缺陷。

锻件折叠缺陷预防及工艺优化

结合数值模拟分析可知，试验件缺陷形成原因为坯料形状不规则且表面质量差，原坯料自由镦粗的成形方式决定了坯料表面质量的稳定性和一致性不可控，为了提高坯料成形质量的稳定性和一致性对制坯工艺进行了优化，设计了如图5 所示的胎模，用于约束坯料的轴度和表面质量。

采用自由镦粗成形的坯料有鼓肚，胎模成形的坯料圆周面无鼓肚，坯料的形状更规则。为了验证胎模成形的坯料对锻件成形质量没有影响，通过数值模拟对模锻过程进行了分析，模拟结果见图6 和图7，自由锻成形坯料和胎模成形坯料的模锻温度场和应变场差异较小且无折叠缺陷产生，说明该胎模制坯工艺具有可行性。因此进行了试制验证，获得图8 所示坯料，坯料表面质量良好且形状规则，模锻后锻件表面质量良好无折叠缺陷。

结束语

通过试验分析、理论分析和数值模拟对比分析，确认自由镦粗制坯导致坯料发生歪斜且表面质量差，模锻后坯料表面内凹区域发生弯折，随着材料流动被压入锻件形成折叠缺陷，属于失稳压入复合型折叠缺陷。通过对制坯工艺进行优化将自由镦粗优化为胎模成形，获得表面质量良好形状规则的坯料，经试制验证优化工艺可行，胎模获得的坯料质量稳定性和一致性较好，模锻后温度场和应变场满足模锻变形要求且无折叠缺陷。