CN115301873A - 一种gh4169d合金整体叶盘制件近净成形锻造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航空发动机用变形高温合金整体叶盘锻件制备领域，涉及一种GH4169D合金整体叶盘制件近净成形锻造工艺。具体包括采用三联熔炼工艺制备的GH4169D合金锻制棒材下料、高灵敏度超声探伤、加热、镦粗、加工、近净成形快速等温锻造、多阶段精密热处理等。本发明通过对GH4169D合金锻件进行预处理、高温固溶处理和两阶段时效处理的多阶段热处理工艺。不但降低了GH4169D合金整体叶盘内部的残余应力，而且保证了锻件的力学性能和微观组织。本发明提出的方法有助于控制航空发动机用变形合金GH4169D的批锻件次性能波动，提高航空发动机高温合金零部件的使用可靠性。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机用变形高温合金整体叶盘锻件制备领域；涉及一种GH4169D合金整体叶盘制件近净成形锻造工艺。
背景技术
GH4169D合金是在GH4169合金成分基础上，通过优化调整Al+Ti含量以及Al/Ti比，降低元素Fe的含量，加入固溶强化元素W、Co并适当调整微量元素含量而研制的一种新材料。与GH4169合金相比，GH4169D合金主要强化相由γ"相转变为γ'相，650℃以上热稳定性增加，使用温度提高到704℃；与其它γ'相强化的合金相比，GH4169D合金中的γ'相析出速率减慢，使其热加工性能和焊接性能得到显著改善。因此，GH4169D合金兼具了GH4169合金高强度、良好热加工和焊接性能，以及GH4738合金使用温度高的优点，成为一种应用到先进航空发动机上的关键材料。为了提高航空发动机零部件用的GH4169D合金材料的批次稳定性并降低生产成本，在保证冶金质量的前提下，国外生产的变形合金铸锭锭型尺寸规格逐渐加大，从初期的直径Φ406mm增加到目前主流的Φ508mm，甚至更大。但是锭型尺寸增大，棒材的制备技术难度增加，使得变形合金GH4169D棒材内部容易出现粗晶、混晶(晶粒度级差大于或等于三级)等异常组织，粗晶和混晶会导致制备的锻件的持久、蠕变性能降低。如何通过锻造工艺消除GH4169D合金内部的混晶组织是一项技术难题。
整体叶盘是新一代航空发动机实现结构创新与技术跨越的核心技术之一。整体叶盘通过把发动机转子叶片和轮盘设计和制造成一个整体，具有结构简单、零件少、效率与可靠性高等突出优点。将叶片与轮盘做成一体后，盘件轮缘不需要加工出安装叶片的榫槽，因而轮缘的径向尺寸可以显著减小，使发动机转子部件重量减轻。例如，美国GE公司为F/A-18战斗机研制的航空发动机F414，其风扇采用整体叶盘后，使转子重量减轻数十公斤，零件数量减少不仅降低成本，更重要的是提高了发动机的可靠性和推重比。此外，整体叶盘结构可以消除常规榫头连接叶片与轮盘的结构中气流在榫头与榫槽缝隙中的逸流造成的损失，避免了装配不当造成的榫头微动磨蚀、裂纹、锁片损坏等故障。罗·罗公司研究指出，整体叶盘结构与传统的叶片+轮盘结构相比，部件重量最多可减轻50％。由于整体叶盘的以上优点，在国外先进的军/民用航空发动机中获得了推广应用，使发动机性能得到明显提升。目前罗.罗公司的遄达XWB发动机、GE公司的GE90发动机以及普惠公司研制的F119发动机，将整体叶盘在航空发动机中的应用推向了一个新阶段。但是整体叶盘锻造制备的技术难度比普通高温合金盘件更大，由于轮缘部位与轮毂部位有不同的晶粒度要求，因此，对锻造过程中盘锻件不同部位的变形量也不同。
此外，GH4169D合金是以面心立方的奥氏体为基体，同时通过热处理析出强化相提高高温性能。该合金以γ'相强化为主，晶界相主要为具有η-Ni3Ti的结构的Ni3Al0.5Nb0.5相。标准热处理条件下γ'相的质量分数占GH4169D合金的22～27％，η-Ni3Al0.5Nb0.5可占1.5～7％，其质量分数随着热处理制度和化学成分的变化会有所不同。通过调整GH4169D合金中γ'相和η-Ni3Al0.5Nb0.5相不同的分配比例，得到合金不同的综合性能，可用于制备不同服役环境的部件。虽然η相含量较少，但是η相的数量和形貌对GH4169D合金改善缺口敏感性、提高晶界结合强度、钉扎晶界、阻碍晶界裂纹扩展，以及平衡力学性能的具有重要作用，η相在晶界析出量过少，改善缺口敏感性的作用不明显，η相在晶界析出过多，会降低材料力学性能。研究表明,随着η-Ni3Al0.5Nb0.5相含量降低以及γ＇相增加，GH4169D合金的拉伸强度和持久寿命均稍有上升，但是当η-Ni3Al0.5Nb0.5相析出低于1.1％wt左右，会导致合金会表现出明显的缺口敏感性，这对大部分航空构件而言是不允许的。本发明主要针对目前GH4169D合金棒材中粗晶、混晶组织影响锻件力学性能的问题，通过超声探伤控制冶金质量、设计锻造方法、优化锻造工艺参数等，制备出合格的GH4169D合金整体叶盘锻件，保证了加工出的零件在航空发动机中安全可靠使用。
本发明提出的工艺方法结合接触式超声检测仪、等温锻造设备，具有工艺流程短、生产效率高、成本较低等优点。目前，国内能够检索查阅的关于GH4169D合金的文献资料较少，并且没有查阅到GH4169D合金整体叶盘锻件制备的文献。因此，本发明具有明显的创新性和工程应用价值。
发明内容
本发明目的：针对GH4169D合金棒材粗晶、混晶等异常组织会通过遗传影响锻件冶金质量的问题，本发明提出了一种制备GH4169D合金整体叶盘的工艺方法，有助于提高航空发动机用GH4169D合金锻件的批次稳定性和可靠性，提高锻造效率，降低生产成本。
本发明技术方案：一种GH4169D合金整体叶盘制件近净成形锻造工艺，具体过程如下：
步骤1下料；按照整体叶盘锻件需求的棒材重量，切下长度满足锻件要求的料段；
步骤2高灵敏度超声无损检测；探伤精度为平底孔直径Φ1.2mm-10db～Φ0.8mm；
步骤3把探伤检测通过的GH4169D合金料锻放入加热炉加热，加热温度范围为990～1050℃；
步骤4采用硅酸铝保温棉把加热完成后的GH4169D合金料段进行包覆保温，放置到快锻机上进行镦饼；
步骤5镦饼完成的GH4169D合金饼坯冷却到室温，采用车床机加工定位盲孔；
步骤6把机加工后的GH4169D合金饼坯放入加热炉加热，加热温度范围为980～1030℃；
步骤7把加热完成后的GH4169D合金饼坯从热处理炉取出，放入等温锻液压机的模具中进行等温锻造；其中，锻造温度为980～1030℃，锻制速率为3～10mm/s；
步骤8锻造后的GH4169D合金整体叶盘锻件进行精密热处理；采用多阶段热处理方法，具体包括预处理、高温固溶处理和两阶段时效处理；其中，预处理温度为870～900℃，在选定温度±5℃保温16h后空冷至室温；高温固溶处理的温度和时间为：将锻件加热至950℃～990℃，在选定温度±5℃保温1h后空冷或快速冷却；时效处理工艺为：将整体叶盘锻件先加热至780℃±10℃，保温至少8h；然后冷却至700℃±5℃，保温不少于8h后空冷；
步骤9对热处理完成后的GH4169D整体叶盘进行低倍组织、高倍组织和力学性能测试检验。
所述步骤1下料前需制备GH4169D合金棒材，采用真空感应熔炼+电渣重熔+真空电弧重熔三联熔炼工艺制备GH4169D合金，通过快锻工艺或快锻+径锻工艺制备出组织、性能和尺寸规格满足要求的棒材。
所述步骤1GH4169D合金棒材表面粗糙度不大于3.2μm。
所述步骤1下料采用锯切或者线切割方法。
所述步骤2高灵敏度超声无损检测采用接触法对GH4169D合金料段进行超声探伤。
所述步骤4镦饼下压速度为5～15mm/s，变形量不小于40％。
所述步骤5定位盲孔深度为40mm～60mm。
所述步骤7模具采用近净成形模具设计，盘锻件单边加工余量小于3mm。
本发明的优点和效果：
本发明针对航空发动机用GH4169D合金盘锻件存在的批次性能波动大、内部出现粗晶和混晶组织等问题，设计了快速等温锻造工艺，结合多阶段精密热处理技术，制备出了组织均匀、性能优异的GH4169D合金整体叶盘锻件。具有明显的创新性和实用性。
本发明的创新点包括：①棒材高灵敏度超声无损检测技术。采用接触法对GH4169D合金料段探伤的精度为平底孔直径Φ1.2mm-10db～Φ0.8mm。GH4169D合金锻制棒材通常采用的探伤精度为A级(约1.2mm平底孔)。采用更高灵敏度的超声探伤方式，保证了GH419D合金棒材的冶金质量；②快速等温锻造技术。GH4169D合金饼坯放入等温锻液压机的模具中进行等温锻造，采用锻制速率为3～10mm/s，同时要求锻件从加热炉取出到放入模具的转移时间要求不大于100S。与普通等温锻造工艺不同，快速等温锻造的优势是锻造速率快，在保证锻件产品质量性能的前提下，生产效率提高，成本降低，同时锻件内部的晶粒度级差更小；③多阶段精密热处理技术。GH4169D合金锻件进行预处理、高温固溶处理和两阶段时效处理的多阶段热处理工艺。不但降低了GH4169D合金整体叶盘内部的残余应力，而且保证了锻件的力学性能和微观组织。本发明提出的方法有助于控制航空发动机用变形合金GH4169D的批锻件次性能波动，提高航空发动机高温合金零部件的使用可靠性。
附图说明
图1机加工后的GH4169D整体叶盘锻件；
图2实施例1GH4169D合金盘锻件微观组织；
图3实施例2GH4169D合金盘锻件微观组织；
图4实施例3GH4169D合金盘锻件微观组织。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
本发明的具体实施方案为：
(1)GH4169D合金棒材制备。采用真空感应熔炼+电渣重熔+真空电弧重熔三联熔炼工艺制备GH4169D合金。通过快锻工艺或快锻+径锻工艺制备出组织、性能和尺寸规格满足要求的棒材。棒材表面粗糙度不大于3.2μm；
(2)下料段。按照整体叶盘锻件需求的棒材重量，采用锯切或者线切割方法把GH4169D合金棒材切下长度满足锻件要求的料段；
(3)高灵敏度超声无损检测。采用接触法对GH4169D合金料段进行超声探伤，探伤精度为平底孔直径Φ1.2mm-10db～Φ0.8mm。对探伤结果超过该灵敏度的缺陷、夹杂物等予以切除或者报废。采用更高灵敏度的超声探伤方式，保证了GH419D合金棒材的冶金质量；
(4)加热。把探伤检测通过的GH4169D合金料锻放入加热炉加热，加热温度范围为990～1050℃。加热炉炉温均匀性要求精度为±5℃；
(5)镦饼。采用硅酸铝保温棉把加热完成后的GH4169D合金料段进行包覆保温，放置到快锻机上进行镦饼，镦饼下压速度为5～15mm/s，变形量不小于40％；
(6)机加工；镦饼完成的GH4169D合金饼坯冷却到室温，采用车床机加工定位盲孔。定位盲孔深度为40mm～60mm；
(7)加热。把机加工后的GH4169D合金饼坯放入加热炉加热，加热温度范围为980～1030℃，加热炉炉温均匀性要求精度为±5℃；
(8)快速等温锻造。把加热完成后的GH4169D合金饼坯从热处理炉取出，放入等温锻液压机的模具中进行等温锻造。其中，锻造温度为980～1030℃，锻制速率为3～10mm/s，锻件从加热炉取出到放入模具的转移时间要求不大于100S；采用近净成形模具设计，盘锻件单边加工余量小于3mm。此外，快速等温锻造与普通等温锻造的工艺优势是锻造速率快，在保证锻件产品质量性能的前提下，生产效率提高；
(9)多阶段精密热处理。锻造后的GH4169D合金整体叶盘锻件进行精密热处理。采用多阶段热处理方法，具体包括预处理、高温固溶处理和两阶段时效处理。其中，预处理温度和时间为870～900℃，在选定温度±5℃下保温16h后空冷室温；高温固溶处理的温度和时间为将锻件加热至950℃～990℃，在选定温度±5℃保温1h后空冷或快速冷却；时效处理工艺为将整体叶盘锻件先加热至780℃±10℃，保温至少8h；然后冷却至700℃±5℃，保温不少于8h后空冷；
(10)检验。对热处理完成后的GH4169D整体叶盘进行低倍组织、高倍组织和力学性能测试检验。
实施例1：
采用真空感应熔炼+电渣重熔+真空电弧重熔三联熔炼工艺制备GH4169D合金。通过快锻+径锻工艺制备出组织、性能满足要求的直径250mm棒材。棒材表面粗糙度3.2μm；按照整体叶盘锻件需求的棒材重量，采用锯切或者线切割方法把GH4169D合金棒材切下长长度450mm的料段；采用接触法对GH4169D合金料段进行超声探伤，探伤精度为平底孔直径Φ1.2mm-10db。对探伤结果超过该灵敏度的缺陷、夹杂物等予以切除或者报废。把探伤检测通过的GH4169D合金料锻放入加热炉加热，加热温度范围为990℃。采用硅酸铝保温棉把加热完成后的GH4169D合金料段进行包覆保温，放置到快锻机上进行镦饼，镦饼下压速度为10mm/s，变形量45％；镦饼完成的GH4169D合金饼坯冷却到室温，采用车床机加工定位盲孔。定位孔深度为40mm；把机加工后的GH4169D合金饼坯放入加热炉加热，加热温度范围为990℃；把加热完成后的GH4169D合金饼坯从热处理炉取出，放入等温锻液压机的模具中进行等温锻造。其中，锻造温度为990℃，锻制速率为10mm/s，锻件从加热炉取出到放入模具的转移时间要求90S；采用近净成形模具设计，盘锻件单边加工余量2.8mm；锻造后的GH4169D合金整体叶盘锻件进行精密热处理。采用多阶段热处理方法，具体包括预处理、高温固溶处理和两阶段时效处理。其中，预处理温度和时间为890℃，保温16h后空冷室温；高温固溶处理的温度和时间为将锻件加热至960℃，保温1h后空冷或快速冷却；时效处理工艺为将整体叶盘锻件先加热至780℃，保温8h；然后冷却至700℃，保温8h后空冷；对热处理完成后的GH4169D整体叶盘进行低倍组织、高倍组织和力学性能测试检验。
实施例2
采用真空感应熔炼+电渣重熔+真空电弧重熔三联熔炼工艺制备GH4169D合金。通过快锻工艺或快锻+径锻工艺制备出组织、性能和尺寸规格230mm的棒材。棒材表面粗糙度3.0μm；按照整体叶盘锻件需求的棒材重量，采用锯切或者线切割方法把GH4169D合金棒材切下长度500mm的料段；采用接触法对GH4169D合金料段进行超声探伤，探伤精度为平底孔直径Φ1.0mm。对探伤结果超过该灵敏度的缺陷、夹杂物等予以切除或者报废；把探伤检测通过的GH4169D合金料锻放入加热炉加热，加热温度范围为1000℃。加热炉炉温均匀性精度为±5℃；采用硅酸铝保温棉把加热完成后的GH4169D合金料段进行包覆保温，放置到快锻机上进行镦饼，镦饼下压速度为10mm/s，变形量45％；镦饼完成的GH4169D合金饼坯冷却到室温，采用车床机加工定位盲孔。定位盲孔深度为50mm；把机加工后的GH4169D合金饼坯放入加热炉加热，加热温度为1000℃，把加热完成后的GH4169D合金饼坯从热处理炉取出，放入等温锻液压机的模具中进行等温锻造。其中，锻造温度为1010℃，锻制速率为5mm/s，锻件从加热炉取出到放入模具的转移时间80S；采用近净成形模具设计，盘锻件单边加工余2.0mm。此外，快速等温锻造与普通等温锻造的工艺优势是锻造速率快，在保证锻件产品质量性能的前提下，生产效率提高；锻造后的GH4169D合金整体叶盘锻件进行精密热处理。采用多阶段热处理方法，预处理温度和时间为880℃，保温16h后空冷室温；高温固溶处理的温度和时间为将锻件加热至980℃，保温1h后空冷；时效处理工艺为将整体叶盘锻件先加热至770℃，保温10h；然后冷却至695℃，保温8h后空冷；对热处理完成后的GH4169D整体叶盘进行低倍组织、高倍组织和力学性能测试检验。
实施例3
采用真空感应熔炼+电渣重熔+真空电弧重熔三联熔炼工艺制备GH4169D合金。通过快锻工艺或快锻+径锻工艺制备出组织、性能和尺寸规格280mm的棒材。棒材表面粗糙度不1.6μm；采用锯切或者线切割方法把GH4169D合金棒材切下长度480mm的料段；采用接触法对GH4169D合金料段进行超声探伤，探伤精度为平底孔直径Φ0.8mm。对探伤结果超过该灵敏度的缺陷、夹杂物等予以切除或者报废。采用更高灵敏度的超声探伤方式，保证了GH419D合金棒材的冶金质量；把探伤检测通过的GH4169D合金料锻放入加热炉加热，加热温度范围为1050℃；采用硅酸铝保温棉把加热完成后的GH4169D合金料段进行包覆保温，放置到快锻机上进行镦饼，镦饼下压速度为15mm/s，变形量43％；镦饼完成的GH4169D合金饼坯冷却到室温，采用车床机加工定位盲孔。定位盲孔深度为60mm；把机加工后的GH4169D合金饼坯放入加热炉加热，加热温度范围为1030℃，加热炉炉温均匀性精度为±5℃；把加热完成后的GH4169D合金饼坯从热处理炉取出，放入等温锻液压机的模具中进行等温锻造。其中，锻造温度为1030℃，锻制速率为10mm/s，锻件从加热炉取出到放入模具的转移时间要求90S；采用近净成形模具设计，盘锻件单边加工余量2.8mm。此外，快速等温锻造与普通等温锻造的工艺优势是锻造速率快，在保证锻件产品质量性能的前提下，生产效率提高；锻造后的GH4169D合金整体叶盘锻件进行精密热处理。采用多阶段热处理方法，预处理温度和时间为900℃下保温16h后空冷室温；高温固溶处理的温度和时间为将锻件加热至990℃保温1h后空冷或快速冷却；时效处理工艺为将整体叶盘锻件先加热至780℃保温8h；然后冷却至700℃，保温8h后空冷；对热处理完成后的GH4169D整体叶盘进行低倍组织、高倍组织和力学性能测试检验。
Claims (8)
1.一种GH4169D合金整体叶盘制件近净成形锻造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1按照整体叶盘锻件需求的棒材重量，切下长度满足锻件要求的料段；
步骤2对步骤1的料段进行高灵敏度超声无损检测；探伤精度为平底孔直径Φ1.2mm-10db～Φ0.8mm；
步骤3把探伤检测通过的GH4169D合金料锻放入加热炉加热，加热温度范围为990～1050℃；
步骤4采用硅酸铝保温棉把加热完成后的GH4169D合金料段进行包覆保温，放置到快锻机上进行镦饼；
步骤5镦饼完成的GH4169D合金饼坯冷却到室温，采用车床机加工定位盲孔；
步骤6把机加工后的GH4169D合金饼坯放入加热炉加热，加热温度范围为980～1030℃；
步骤7把加热完成后的GH4169D合金饼坯从热处理炉取出，放入等温锻液压机的模具中进行等温锻造；其中，锻造温度为980～1030℃，锻制速率为3～10mm/s；
步骤8锻造后的GH4169D合金整体叶盘锻件进行精密热处理；采用多阶段热处理方法，具体包括预处理、高温固溶处理和两阶段时效处理；其中，预处理温度为870～900℃，在选定温度±5℃保温16h后空冷至室温；高温固溶处理的温度和时间为：将锻件加热至950℃～990℃，在选定温度±5℃保温1h后空冷或快速冷却；时效处理工艺为：将整体叶盘锻件先加热至780℃±10℃，保温至少8h；然后冷却至700℃±5℃，保温不少于8h后空冷；
步骤9对热处理完成后的GH4169D整体叶盘进行低倍组织、高倍组织和力学性能测试检验。
2.如权利要求1所述的GH4169D合金整体叶盘制件近净成形锻造工艺，其特征在于，所述步骤1GH4169D合金棒材，采用真空感应熔炼+电渣重熔+真空电弧重熔三联熔炼工艺制备GH4169D合金，通过快锻工艺或快锻+径锻工艺制备出组织、性能和尺寸规格满足要求的棒材。
3.如权利要求1所述的GH4169D合金整体叶盘制件近净成形锻造工艺，其特征在于，所述步骤1GH4169D合金棒材表面粗糙度不大于3.2μm。
4.如权利要求1所述的GH4169D合金整体叶盘制件近净成形锻造工艺，其特征在于，所述步骤1下料采用锯切或者线切割方法。
5.如权利要求1所述的GH4169D合金整体叶盘制件近净成形锻造工艺，其特征在于，所述步骤2高灵敏度超声无损检测采用接触法对GH4169D合金料段进行超声探伤。
6.如权利要求1所述的GH4169D合金整体叶盘制件近净成形锻造工艺，其特征在于，所述步骤4镦饼下压速度为5～15mm/s，变形量不小于40％。
7.如权利要求1所述的GH4169D合金整体叶盘制件近净成形锻造工艺，其特征在于，所述步骤5定位盲孔深度为40mm～60mm。
8.如权利要求1所述的GH4169D合金整体叶盘制件近净成形锻造工艺，其特征在于，所述步骤7模具采用近净成形模具设计，盘锻件单边加工余量小于3mm。
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