低温小应变锻造在GH4169轴流叶片上的应用

文/袁大庆，孙风军，尹林，魏丽，刘新权·无锡透平叶片有限公司

GH4169 合金是一种铁-镍-铬基的变形高温合金，合金的组织由γ 基体、δ 相、碳化物和作为强化相的γ"相(Ni3Nb)和γ'相(Ni3AlTi)组成，作为一种主要的镍基变形高温合金，GH4169 合金以其在(-253 ～650)℃时优异的综合力学性能，成为我国航空和航天发动机的关键材料。然而，GH4169 合金的组织性能对热加工工艺十分敏感，在实际生产中常因为工艺制定不当导致出现粗晶和混晶等不利的显微组织；同时，在制备模锻件过程中，由于关键零部件复杂的几何特征及不可避免的摩擦、坯料形状等因素的影响，导致在模锻过程中不可避免地会出现局部混晶或粗晶，进而影响了锻件的使用性能和寿命。生产实践表明，轴流叶片柄部圆形特点，应用再结晶工艺路线会导致在模锻过程中不可避免地在轴流叶片柄部外圆一周出现应变过小的死变形区，从而在柄部一周出现深度不同的粗晶现象；叶柄心部与外圆一周的应变梯度大，柄部纵向低倍在不同的炉批会出现轻微的亮带，导致产品的质量不稳定。

罗恒军等研究了GH4169 合金涡轮盘增大变形量会导致应变差过大但不利于增大小应变；程明等研究了GH4169 模锻阶段动态再结晶、变形速率、锻造速度和摩擦力对显微组织的影响；王冠强等研究了GH4169 锻后的热处理对混晶组织的均匀化机制；王岩等研究了热处理温度和保温时间对GH4169 合金晶粒长大规律的影响。而关于低温小应变对GH4169 合金轴流类叶片的高低倍组织的影响鲜有报道。

本试验采用低温小应变的工艺路线，探索GH4169 合金轴流叶片的锻造工艺边界，使该类叶片锻件无纵向低倍“亮带”，获得更加均匀化的晶粒组织，为此类材料的轴流叶片的生产提供依据。

试验材料和方法

试验材料

本试验采用ATI 进口的φ38.1mm 热轧棒材，其化学成分如表1 所示。该合金的初始组织如图1 所示，可以发现，初始组织的平均晶粒度为10.5 级。

表1 试验用原材料化学成分/wt%

图1 GH4169 合金初始组织

试验方法

模锻初锻温度为980℃，模锻后空冷至室温。之后对锻件进行热处理并进行纵向高低倍组织检测，具体试验工艺路线如表2 所示。模锻采用J58K-1000T螺旋锻造压力机，滑块速度为500mm/s；光学显微组织观察使用LEICA-DMTRM 图像分析仪，采用5 毫升H2SO4+150 毫 升HCl+20 克CuSO4·5H2O+80 毫 升H2O 溶液腐蚀碳化物和晶界。

表2 试验工艺路线

试验结果和分析

锻件低倍组织分析

图2 锻件的低倍组织照片

整体的变形是小变形量，叶片模锻过程是不完全再结晶过程，柄部中心和柄部一周的组织差异小，不会出现中心因变形量过大而导致的完全再结晶的细晶，所以不会出现“亮带”。

锻件高倍组织分析

图3 为1#、2#、3#锻件的纵向中心位置的高倍组织照片，可以看出：1#锻件为模锻后的高倍组织，因变形的原因晶粒有拉长的现象，经过热处理后，晶粒等轴化，呈现出更为均匀的细晶组织(1#、2#锻件)。对比1#锻件和2#锻件纵向中心位置高倍组织，980℃锻态高倍组织经过950℃固溶热处理后，叶顶中心晶粒度从锻态的10.5 级细化到11.5 级，柄部中心部位晶粒度均匀化到11.5 级，而叶身位置晶粒度固溶前后均为11.5 级，可见纵向中心位置晶粒度未有异常长大趋势，晶粒度有均匀化的趋势；对比2#锻件和3#锻件纵向中心位置高倍组织，在950℃固溶前增加920℃预处理，纵向中心位置晶粒度既没有显著的长大趋势也未有显著的细化趋势。

图3 1#、2#、3#锻件纵向中心位置高倍组织照片

据文献报道，δ 相的完全溶解温度为1038℃，且δ 相的存在会抑制晶粒的长大而使晶粒长大速度缓慢。因此在较低的固溶温度(950℃)下，由于δ相的存在，锻件仍然保持与模锻时差不多的细小的晶粒尺寸。

增加920℃预处理晶粒度未有明显变化，这是因为低温小应变导致锻件应变储能相对较低，晶粒度异常长大影响较小。所以，920℃时的应变储能对晶粒异常长大的影响较小。

图4 为1#、2#、3#锻件柄部的纵向上模和下模位置的高倍组织照片，对比同一位置的上模和下模的高倍组织可以看出：下模位置的不完全再结晶程度低于上模位置，这是由于上模与下模位置的应变差不多(图5c)，但是下模位置的坯料在锻造过程需先接触模具2 ～3 秒钟(坯料放置在下模等待锻造过程)，温降快于上模位置的坯料，下模位置的坯料始锻温度低，因此下模位置的不完全再结晶程度低于上模位置；上模位置不完全再结晶程度低于中心位置，且中心位置出现了细微的细晶带，这是由于中心位置的坯料应变和始锻温度均高于上模位置，因此上模位置不完全再结晶程度低于中心位置。

图4 1#、2#、3#锻件纵向上模和下模位置高倍组织照片

分析和讨论

图5 所示为锻件的温度场和应变场，图5a 为始锻温度场，坯料经过980℃×60min 加热后转移到锻模上时，坯料的整体温度为(869 ～953)℃；图5b 为终锻温度场，模锻后，叶片心部终锻温度为(906 ～979)℃；图5c 为终锻等效应变场，模锻后叶片心部的最大等效应变为0.6，柄部周边与心部的应变差在0.5 左右。经过此低温小应变成形后，叶片纵向低倍未见“亮带”；且当原始晶粒度为10.5 级，经过此低温小应变成形后，晶粒没有异常长大的趋势，锻件平均晶粒度11.5 级。

图5 数值模拟温度场和应变场(纵剖面)

结论

⑴经过低温小应变成形后，叶片纵向低倍未见亮带；

⑵当原始晶粒度为10.5 级，经过980℃锻造+950℃固溶热处理的低温小应变的工艺路线，晶粒度不会有异常长大的趋势，锻件平均晶粒度11.5 级；

⑶锻后的920℃预处理对最终固溶处理的晶粒细化没有显著优势；

⑷柄部中心位置的不完全再结晶程度大于上模位置，且上模位置的不完全再结晶程度大于下模位置；

⑸不完全再结晶行为的发生，为塑性变形提供了细小等轴组织，有利于该合金细化晶粒。