CN101412182B - 一种gh150合金高压压气机动、静叶片冷辊轧工艺 - Google Patents

Abstract

一种GH150合金高压压气机动、静叶片冷辊轧工艺的主导工艺和热处理工艺流程为：半精锻件经过固溶、油冷，之后机加工榫头及铣叶身根部，之后整平叶身，之后第一次冷辊轧，之后真空、充氩气冷固溶，之后第二次冷辊轧，叶身轧至无余量，之后真空炉充氩气冷固溶处理，之后冷校型，之后榫头及叶身进排气边缘经抛光精加工，之后真空炉一次时效，之后氩气保护二次时效处理，最后振动光饰。本发明的优点：本发明进行了叶片冷辊轧技术的工程化应用研究，成功研制了发动机高压压气机的十三个级别的工作叶片和整流叶片，叶片通过了规定载荷下循环振动疲劳试验，通过了发动机的长期试车考核。

Description

一种GH150合金高压压气机动、静叶片冷辊轧工艺

技术领域

本发明涉及叶身型面无切削加工的一种制造方法，特别提供了一种GH150合金高压压气机动、静叶片冷辊轧工艺。

背景技术

GH150合金棒材，是一种以钨、钼等元素固溶强化和钛、铝、铌时效强化的镍-铁-铬基高温合金，主要强化相γ′。通过分析所采用的材料，从变形的观点看和要得到要求参数的叶片角度分析，为避免降低材料强度特性和减少频率特性过大的差异，在叶片型面加工时不可能采用原有工艺过程生产。分析该最终加工方法的技术一经济指标，精锻和冷轧是最为适合的方法，而在多数情况下也是叶片制造唯一可行的工艺方法。但迄今为止，对于高温合金无余量的精锻叶片，我国尚未突破。冷轧技术得到世界航空发动机制造业的高度重视，上世纪六十年代末，我公司在全国率先开展了马氏体不锈钢制工作叶片高速锤挤压、辊轧复合形变热处理新工艺的试验研究，并且获得成功。该项技术的研究成功使航空发动机压气机不锈钢动叶片的制造技术取得了突破性的进展。八十年代初，我公司又研制成功温辊轧微余量(0.10mm)的热强钛合金(TC11)工作叶片。

但是，对于高温合金的压气机工作叶片和带榫头的整流叶片的冷辊轧技术，尚未开展研究，我公司针对国产GH150材料叶片叶身型面精密冷辊轧无余量成形这种工艺的研究，目的在于替代某大修叶片易损件的进口，扭转受制于人的局面，以便更好的推广应用于其它型号第三代新机铁、镍基高温合金制的、单榫头压气机叶片的制造和第四代发动机压气机叶片的预研。

发明内容

本发明的目的是提供

本发明提供了一种GH150合金高压压气机动、静叶片冷辊轧工艺，其特征在于：所述的GH150合金高压压气机动、静叶片冷辊轧工艺的主导工艺和热处理工艺流程为：

半精锻件经过1030℃～1050℃×2h固溶、油冷，之后机加工榫头及铣叶身根部，之后整平叶身，之后第一次冷辊轧，之后1030℃～1050℃真空、充氩气冷固溶，之后第二次冷辊轧，叶身轧至无余量，之后真空炉1010℃～1030℃×1.5h充氩气冷固溶处理，之后冷校型，之后榫头及叶身进排气边缘经抛光精加工，之后真空炉770℃～790℃×5h一次时效，之后640℃～660℃×16h氩气保护二次时效处理，最后振动光饰。

所述的GH150合金高压压气机动、静叶片冷辊轧工艺充氩气冷固溶的压强≥0.4MPa。

所述的GH150合金高压压气机动、静叶片冷辊轧工艺中辊轧的润滑采用机油或酒精。

一次无余量冷轧成形对叶片组织均匀性的影响：

试验方法及过程

1)采用抚钢产2H210201熔炼炉号的GH150轧棒按1130℃挤杆→1050℃预锻→1050℃终锻工艺锻制IV级整流叶片

2)按下列工艺固溶处理：

箱式电阻炉1040±10℃，2小时，油冷

3)采用箱式电阻炉对固溶后的叶片锻件抽取两件毛坯进行双时效处理，时效制度：780±10℃×5h，空冷，650±10℃×16h，空冷。

4)经2)固溶后的叶片锻件按高压IV级整流叶片辊轧工艺规程拉、铣榫头、铣叶根、整平叶身型面，然后按表1变形量辊轧叶片叶身至成品尺寸。

表1  IV级整流叶片一次冷轧成形各截面变形量

零件号零件名称	位置	设计图零件尺寸(mm)			冷轧变形程度ε％
								单面压下量(中心0.35mm，边缘0.30mm)
					Cmax	R1	R2
		Cmax	R1	R2
								高压压气机IV级整流叶片	A2-A2根部	1.81	0.25	0.14	27.89	54.55	68.18
A5-A5中间	1.30	0.17	0.11	35.00	63.83	73.17
							A10-A10叶尖		0.78	0.11	0.09	42.3	73.17	76.92

5)冷辊轧后叶片按下列工艺进行最终热处理：

固溶：真空炉加热1040±10℃，保温40分充氩气冷(压力≥0.4MPa)。

双时效：780±10℃×5h氩气保护箱冷，650±10℃×16h氩气保护箱冷。

6)经热处理的叶片毛坯及辊轧叶片作高、低倍组织检查并检测硬度。

试验结果

1)叶片锻件的组织

固溶、时效后的叶片锻件高倍组织如图1所示。

2)叶片锻件硬度

固溶后的叶片锻件布氏硬度为HB(d)：4.65～4.71mm。

3)叶片锻件机械性能

叶片锻件试样经固溶、双时效后，检测其室温抗拉和高温持久性能，结果如表2所示：

表2高压IV级整流叶片锻件试样的力学性能

项目	室温性能					高温持久性能
									σ<sub>b</sub>MPa	σ<sub>0.2</sub>MPa	δ<sub>5</sub>％	Ψ％	HB(d)mm	T℃	σMPa	th
	1<sup>#</sup>	1280	840	26	39	3.30	600	785									128:59未断
2<sup>#</sup>									1290	920	28	42	3.30	600	785	128.59断
	技术条件	≥1130	≥685	≥12	≥14	3.2～3.55	600	785									≥60

4)固溶、时效后辊轧叶片的高倍组织

图2为冷辊轧叶片固溶、时效后的高倍组织。

5)固溶、时效后辊轧叶片的硬度：

固溶、时效后辊轧叶片叶身和榫头的硬度为HRA68～69。

试验结果分析

1)叶片锻件金相组织可以看出，1040℃×2h，油冷固溶处理的GH150合金锻造叶片，晶粒度均在5～6级范围内，个别为4级。1040℃固溶处理的GH150合金叶片组织是良好的，晶粒度是细小的。

2)从锻件固溶后的硬度和表2的性能数据看，硬度较低，锻件软化，冷辊轧时具有良好的工艺塑性，叶片的成形性能良好，满足叶片冷轧工艺要求。表明GH150合金叶片锻件采用1040℃×2h，油冷固溶处理的工艺是十分合理的。

3)对一次冷轧无余量成形及与其相匹配的热处理工艺反复研究发现，影响叶片咬口部位组织及整体叶片组织均匀性的因素有下面六个方面：

1)冷辊轧咬入处的模具R大小

2)叶片咬入处的变形量

3)咬入部位后方(叶根处)的余量

4)叶身整体变形量

5)轧后固溶的温度和保温时间

6)叶片轧制时，工件速度与轧机速度的匹配。

上述六个因素的变化不仅影响咬口部位晶粒度的大小，而且影响咬口部位晶粒度的形态和分布。通过试验研究我们发现，除上面第5因素外，无论如何调整、匹配各因素的关系都只能改变粗晶的大小和分布形态以及粗晶量的多少，而无法消除粗晶的产生。如果选择合理，可以使粗晶得到改善。改变固溶温度或保温时间，例如降低固溶温度到1000℃，并延长保温时间，可以遏止粗晶的产生。但由于固溶温度过低导致再结晶不充分，叶身组织过细，使得整个叶片各部分晶粒度差别增大，组织均匀性变差。

因此，尽管GH150合金冷辊轧叶片最终热处理采用真空炉加热，1040℃×40′充氩气冷(氩气压强不低于0.4MPa)固溶780℃×5h，650℃×16h，氩气保护，箱冷双时效处理后，叶片可得到6～5级均匀的、细小的再结晶的组织，并和俄制叶片组织基本相当(辊轧咬入处组织除外)。但由于咬口粗晶带的存在，该工艺路线的一次冷轧无余量成形不能获取叶片各部位晶粒度完全均匀的组织。

两次无余量冷轧成形对叶片组织均匀性的影响：

试验过程

1)以高压VII级整流叶片为研究对象，轧前叶片毛坯单面余量，中心部位0.35～0.40mm，边缘0.30～0.35mm，采用两次辊轧工艺(第一次辊轧1道次，留余量0.1～0.15mm；第二次辊轧1～2道次)辊轧叶身型面至无余量。

2)辊轧方式和热处理工艺按表3进行。

表3高压VII级整流叶片两次冷辊轧叶片的辊轧及热处理工艺状态

注：固溶及时效均在真空炉内进行。

试验结果分析

在试验所选择的方案中42TY是比较理想的工艺，榫头晶粒度5～4级，叶身纵向晶粒度6～4级，咬口部位晶粒度基本为4～3级。附图中所示为部分工艺的叶身横向组织(4～5截面之间)，附图中可见42TY叶片叶型中间部位和排气边缘晶粒度为5～6级、个别4级，进气边缘为6～5级、个别4级。42TJ叶片横向组织(4～5截面之间)略细，特别是进气边缘约为7～5级之间。造成这种现象的原因，笔者认为酒精的润滑效果不如机油加氯化石蜡。另外，该截面处的进气边变形程度比中心和排气边缘均大，因而组织更为细小。82TY叶片横向组织(4～5截面之间)均匀性很好，整个横截面晶粒度为5～6级、个别4级。这种组织的得到与粗轧后经1080℃固溶处理有关。

综上所述，从叶片组织均匀性的角度出发，42TY是比较理想的工艺，按照该工艺在辊轧、并经最终热处理后可获得整体组织比较均匀、咬口晶粒不过分长大的叶片。

结论：

1)GH150合金制叶片锻件采用1040℃固溶、油冷处理后具有均匀的5～6级晶粒度的组织，低的硬度和良好的冷轧工艺塑性。经双时效后叶片有良好的力学性能。

2)GH150合金采用一次冷辊轧成形无余量叶片，最终采用真空炉加热，1040℃×40′充氩气冷(氩气压强不低于0.4MPa)固溶；780℃×5h，650℃×16h，氩气保护，箱冷双时效热处理，叶片可得到6～5级均匀的、细小的再结晶组织，并和俄制叶片组织基本相当(辊轧咬入处组织除外)。但由于咬口粗晶带的存在，该工艺路线的一次冷轧无余量成形不能获取叶片各部位晶粒度完全均匀的组织。

3)GH150合金制辊轧叶片，采用两次冷辊轧、合理分配压下量、两次不同温度和不同时间固溶处理的工艺，可获得组织均匀性比较良好的叶片(即42TY工艺)。其主导工艺路线为：

锻件→1040℃×2h油冷固溶→机加工榫头及数控铣叶身根部→整平叶身→第一次辊轧叶身→1040℃×40′真空、充氩气冷(压强≥0.4MPa)固溶→切头、抛修边缘及咬口部位→第二次辊轧叶身(串位辊轧)→真空炉1020℃×1.5h，充氩气冷(压强≥0.4MPa)固溶处理→真空炉780℃×5h一次时效→650℃×16h氩气保护箱冷两次时效处理。

42TY(两次辊轧、两次固溶1040℃+1020℃、机油润滑)纵向组织

4)两次辊轧中82TJ和82TY两项工艺除榫头晶粒度比42TY稍粗外，约粗0.5～1级，叶身及咬口部位的晶粒度均比较好，前两项工艺与42TY的区别在于两次固溶温度与时间。前者一轧后固溶制度为1080℃×40′，二轧后固溶制度为1020℃×30′；后者一轧后固溶制度为1040℃×40′，二轧后固溶制度为1020℃×1.5h。而前两者之间的区别在于润滑。该两项工艺也属于基本可接受的工艺。

5)试验研究表明，咬口组织粗大的根本原因，也是GH150合金叶片成形冷辊轧产生粗晶的机理，是临界变形。组织最大程度变粗大致发生在变形量约为5％的冷变形时，这是采用该种传统辊轧工艺无法避免的问题。改变该传统工艺的各因素及相关参数都只能改变粗晶的大小和分布形态以及粗晶量的多少，而无法消除粗晶的产生。如果选择合理，可以使粗晶得到改善。

本发明的优点：

本发明通过对GH150高温合金冷辊轧成形性能、冷轧硬化特性、冷轧变形及热处理工艺对GH150合金组织、性能的影响的研究以及通过对GH150合金冷辊轧叶片整体组织均匀性和咬口粗晶形成机理的研究，攻克了数项关键技术，确定了GH150合金冷辊轧叶片合理的辊轧工艺参数和与其相匹配的热处理工艺，提出了研制冷辊轧高温合金叶片的主导工艺和热处理工艺。接着进行了叶片冷辊轧技术的工程化应用研究，成功研制了发动机高压压气机的十三个级别的工作叶片和整流叶片，所制叶片通过了规定载荷下2×10⁷循环振动疲劳试验，通过了发动机368h的长期试车考核。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为高压压气机工作叶片研制件外观形貌；

图2为高压压气机整流叶片研制件外观形貌；

图3为榫头纵向100倍图片；

图4为叶身纵向100倍图片；

图5为咬口纵向100倍图片；

图6为咬口纵向25倍图片；

图7为进气边横向100倍图片；

图8为中间横向100倍图片；

图9为排气边横向100倍图片。

具体实施方式

实施例1

1、研制的叶片外貌如图1和图2所示。

2、设备：辊轧机

3、毛坯设计：将GH150合金Ф29mm棒材车削到Ф27mm，吹砂后涂玻璃润滑剂，箱式电炉加热：1050℃保温25min，在压力机上压扁至12±0.5mm(模压变形量约50％)制取辊轧前毛坯。然后按1040±10℃、保温2h，油冷(简称“固溶、油冷”)固溶制度热处理。

4、主导工艺和热处理工艺流程设计：半精锻件→1040℃×2h固溶、油冷→机加工榫头及铣叶身根部→整平叶身→第一次冷辊轧→1040℃真空、充氩气冷固溶→第二次冷辊轧(改变方式，叶身轧至无余量，)→真空炉1020℃×1.5h，充氩气冷固溶处理→冷校型→榫头及叶身进排气边缘精加工→真空炉780℃×5h一次时效→650℃×16h氩气保护二次时效处理→振动光饰。

5、关键技术：

1)通过大量试验研究表明，GH150合金制冷辊轧叶片轧前毛坯(锻件)按1040℃×2h固溶、油冷，改变了俄技术标准锻件固溶制度规定的1080℃，气冷，整个叶片锻件的高倍晶粒可以获得比较均匀的6~4级的组织。同时合金具有良好的冷轧工艺塑性，完全满足叶片冷轧工艺要求。合金按此工艺固溶，双时效后具有良好的力学性能。

2)两次冷轧成形无余量叶片冷轧变形量的分配

冷轧前叶身的单面余量确定为0.35~0.40mm，进排气边缘单面余量确定为0.30~0.35mm，进行两次冷轧成形无余量叶片，其两次轧制的压下量分配见表1。

表1GH150合金叶片两次冷轧成形变形量统计表

零件名称	位置	设计图零件尺寸(mm)			粗轧ε％单面压下量：中心0.25mm，边缘0.20mm			精轧ε％单面压下量：中心0.15mm，边缘0.1mm
											Cmax	R1	R2
		Cmax	R1	R2										Cmax	R1	R2
					VI级工作叶片	A8-A8根部	1.53	0.21	0.15	21.46							35.71	40.00	16.39	32.26	40.00
A6-A6中间	1.19	0.15	0.12	25.13							44.44	47.62	20.13	40.00	45.45
						A2-A2叶尖	0.68	0.08	0.09	33.78						52.63	51.28	30.61	55.56	52.63
VII级工作叶片	A7-A7根部	1.37	0.19	0.13							23.04	40.82	46.51	17.96	34.48						43.48
					A5-A5中间	0.99	0.13	0.09	27.93	46.51						51.28	23.26	43.48	52.63
	A2-A2叶尖	0.68	0.08	0.09							33.78	52.63	51.28	30.61	55.56					52.63
					VIII级工作叶片	A6-A6根部	1.27	0.18	0.10	24.15						41.67	50.00	19.11	35.71		50.00
A4-A4中间	0.91	0.12	0.09	29.24							47.62	51.28	24.79	45.45	52.63
						A2-A2叶尖	0.67	0.08	0.09	34.01						52.63	51.28	30.93	55.55	52.63

零件名称	位置	设计图零件尺寸(mm)			粗轧ε％单面压下量：中心0.25mm，边缘0.20mm			精轧ε％单面压下量：中心0.15mm，边缘0.1mm
											Cmax	R1	R2
		Cmax	R1	R2										Cmax	R1	R2
					IX级工作叶片	A6-A6根部	1.34	0.19	0.10	23.36							40.82	50.00	18.29	34.48	50.00
A4-A4中间	0.94	0.12	0.09	28.74							47.62	51.28	24.19	45.45	52.63
						A2-A2叶尖	0.68	0.08	0.09	33.78						52.63	51.28	30.61	55.55	52.63
IV级整流叶片	A2-A2根部	1.81	0.25	0.14							19.16	36.36	45.45	14.22	28.57						41.67
					A5-A5中间	1.30	0.17	0.11	23.81	42.55						48.78	18.75	37.04	47.62
	A10-A10叶尖	0.78	0.11	0.09							31.65	48.78	51.28	27.78	47.62					52.63

在叶片冷辊轧过程中未出现任何裂纹，表明采用两次冷轧变形，中间进行固溶处理，上述所确定的变形量是合理的。

3)通过试验确定两次辊轧后，采用与俄不同的固溶制度(粗轧后为1040℃，精轧后为1020℃)，显著改善了合金组织和性能。采用两次冷轧成形是比较理想的工艺(即粗轧→1040℃真空固溶→改变方式精轧→1020℃×1.5h真空固溶→双时效)。按照该工艺，叶片经冷辊轧、并经最终热处理后可获得整体比较均匀、咬口晶粒不过分长大的组织。即如附图所示：

3)通过“串位”辊轧技术，减少了临界变形对组织均匀性的影响，改善了咬口部位的不均匀组织；在两次冷辊轧成形无余量叶片中，采取了三项措施来改善叶片的组织均匀性。第一，在不改变总变形量的情况下，调整为两次辊轧，降低了每次辊轧的变形量，并且在两次辊轧之间增加一次固溶处理；第二，调整第二次辊轧(即精轧)的咬入位置；第三，降低了第二次辊轧(即精轧)后的固溶温度。通过三项措施，叶片经冷辊轧、并经最终热处理后可获得整体比较均匀、咬口晶粒不过分长大的组织。

GH150合金成分及所占质量比例如下：

碳小于0.08％，铬14.0-16.0％，镍45-50％，钨2.50-3.50％，钼4.50-6.0％，铝0.8-1.3％，钛1.8-2.4％，铌0.9-1.4％，余量为铁和杂质，杂质中锰不大于0.4％，铜不大于0.07％，硫不大于0.015％，磷不大于0.015％，硅不大于0.4％，铈不大于0.02％，锆不大于0.05％，硼不大于0.01％。

Claims (2)

1.一种GH150合金高压压气机动、静叶片冷辊轧工艺，其特征在于：所述的GH150合金高压压气机动、静叶片冷辊轧工艺的主导工艺和热处理工艺流程为：

半精锻件经过1030℃～1050℃×2h固溶、油冷，之后机加工榫头及铣叶身根部，之后整平叶身，之后第一次冷辊轧，之后1030℃～1050℃真空、充氩气冷固溶，氩气压强≥0.4Mpa，之后第二次冷辊轧，叶身轧至无余量，之后真空炉1010℃～1030℃×1.5h充氩气冷固溶处理，氩气压强≥0.4Mpa，之后冷校型，之后榫头及叶身进排气边缘经抛光精加工，之后真空炉770℃～790℃×5h一次时效，之后640℃～660℃×16h氩气保护二次时效处理，最后振动光饰。

2.按照权利要求1所述的GH150合金高压压气机动、静叶片冷辊轧工艺，其特征在于：所述的GH150合金高压压气机动、静叶片冷辊轧工艺中辊轧的润滑采用机油或酒精。

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