CN115647257A - 一种喷嘴锻造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空发动机喷嘴制造技术领域，公开了一种喷嘴锻造工艺，包括锻件图设计、模具设计及制作、原料控制、坯料制作及成型步骤。通过对原材料、成型方式的替代选择，并设计研发配套的模具及工艺参数，解决某型号航空发动机喷嘴产品无法通过金属材料K4648高合格率铸造生产的问题，实现该喷嘴产品的自主化高合格率锻造生产，满足航空发动机的使用需求。

Description

一种喷嘴锻造工艺

技术领域

本发明涉及航空发动机喷嘴制造技术领域，具体涉及一种喷嘴锻造工艺。

背景技术

航空发动机是航空飞行器的核心部件，其中航空发动机的火焰燃烧室高温火焰喷口的喷嘴，长期工作在高温环境中，对其性能有极高的要求。目前该喷嘴的生产制造技术被其他国家掌握，通过等轴晶铸造高温合金K4648经铸造成型，生产的喷嘴产品性能满足使用需求，但其具体的生产技术难以为外界所知，形成了技术封锁，他人主要通过购买引进该喷嘴产品，限制了他人在相关技术领域的发展。为了突破技术封锁，进行了自行研制，同样采用了金属材料K4648以及铸造生产工艺，但是无论怎么调整生产技术，生产的喷嘴产品均存在内部有不同程度的疏松、气孔、针孔等缺陷，无法根除，不能满足航空发动机的使用性能要求，合格率不足10％，难以满足使用需求。现在急需一种新的生产工艺，实现该喷嘴产品的自主化高合格率生产制造，满足航空发动机的使用性能要求。

发明内容

本发明意在提供一种喷嘴锻造工艺，以解决该喷嘴产品无法通过金属材料K4648高合格率铸造生产的问题，实现该喷嘴产品的自主化高合格率生产制造，满足航空发动机的使用性能要求。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种喷嘴锻造工艺，包括以下步骤：

A、模具设计及制作，设计中部具有滚挤型腔的预锻模具，设计成型腔尺寸、外形轮廓与喷嘴相同的精锻模具；

B、原料控制，选用GH4648的棒料作为原料；

C、坯料制作，对原料进行加热后依次连续进行滚挤、预锻成形，滚挤和预锻在预锻模具中进行，预锻变形量控制在30％；

D、成型，将预锻后的坯料再次加热后在精锻模具中锻压成型，精锻变形量控制在45％-48％。

优选的，作为一种改进，步骤C和步骤D中，采用箱式电炉进行坯料的加热，加热速度0.4-0.8mm/min，保温25-40min。

优选的，作为一种改进，步骤C和步骤D中，控制坯料加热温度为1180℃，锻造温度控制在1175～1050℃，整形温度控制在1000℃-950℃。

优选的，作为一种改进，步骤D中将坯料精锻成型并进行切边、风冷后，进行固溶处理，固溶温度控制在1140±5℃，保温60min±5min。

优选的，作为一种改进，步骤C中，在进行滚挤前，对原料一端进行拔脚处理，拔脚为将原料一端镦压为细长的杆端，拔脚变形量控制在70.3％。

优选的，作为一种改进，在进行步骤A之前，进行锻件图设计，保持锻件为喷嘴外形不变，表面各过渡部位采用圆角，圆角半径2mm，增加出模斜度5°。

优选的，作为一种改进，步骤A中采用H13制作预锻模具，采用5CrNiMo制作精锻模具，预锻模具、精锻模具均采用上、下模结构。

优选的，作为一种改进，步骤C和步骤D中，在16000KN压力机上进行预锻和精锻。

本申请技术方案的有益效果包括：

(1)提高产品合格率

将K4648喷嘴由铸件改进为锻件加工，解决了零件疏松、气孔等铸造质量问题，使零件合格率从不足10％，提高到98％，提高零件成品合格率。

(2)减少制造工序，提高产品生产效率

以前精铸制造周期最少8天，改进成锻件生产后，同批量的喷嘴4天能完成，提高生产效率50％。

(3)实现某型号发动机喷嘴国产化问题

铸件改进为锻件后，提高了产品质量和生产周期，实现某型号发动机喷嘴国产化，由此为企业带来上千万大量订单，提高了企业经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例1的喷嘴结构示意图。

图2为本发明实施例1中坯料制作过程坯料滚挤后的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：小端1、中间法兰2、大端3、小端坯料4、中间法兰坯料5、大端坯料6。

实施例1，基本如附图1所示：航空发动机喷嘴，其采用一体成型，其从左至右依次包括小端1、中间法兰2、大端3，小端1作为与外界配合的接口部位，小端1直径小于中间法兰2及大端3，整体表面各个过渡部位采用圆角过渡。

实施例2，一种喷嘴锻造工艺，用于生产实施例1的航空发动机喷嘴，包括锻件图设计、模具设计及制作、原料控制、坯料制作及成型步骤。

锻件图设计，由于现有喷嘴为铸件加工成型，进行锻件图设计时保持喷嘴外形不变，出模斜度为5°，圆角半径为2mm。这样便于锻件的脱模。

模具设计及制作，设计中部具有滚挤型腔的预锻模具，可满足喷嘴小端、中间法兰、大端之间截面积变化大的结构特点，用金属材料H13制作预锻模具；设计成型腔尺寸、外形轮廓与喷嘴相同的精锻模具，用金属材料5CrNiMo制作精锻模具，预锻模具与精锻模具均由上、下模组成。

原料控制，选用晶粒度细于4级、内部探伤质量A级的金属材料GH4648的棒料作为原材料，复验化学成份、力学性能、低倍组织、显微组织。GH4648高温合金是Ni-Cr基沉淀硬化型变形高温合金，长期使用温度小于900℃，短时使用温度可达1100℃。该合金具有优异的抗热腐蚀性能，同时具有中等的强度和良好的抗疲劳和蠕变性能，良好的冷加工性能和焊接性能。适于制作温度在900℃～1100℃、要求优异的耐腐蚀性能的高温构件。GH4648高温合金的综合性能优于国内的GH3044、GH3128性能水平。由于GH4648具有较GH3044更小的比重，所以该合金具有更高的比强度。GH4648材料性能指标高，晶粒度通常在5～7级，能满足替代K4648生产制造航空发动机喷嘴的使用性能要求。

坯料制作，用箱式电炉加热棒料，按0.4～0.8mm/min，保温25～40min。坯料锻造加热温度为1180℃，锻造温度控制在1175～1050℃，整形温度控制在1000℃-950℃。棒料到保温时间后从电炉取出，依次连续进行坯料拔脚、滚挤、压扁、预锻初成形，结合图2所示，坯料拔脚为将棒料左端压挤变细变长为小端坯料4，变形量控制为70.3％。拔脚后立即进行滚挤，滚挤为在16000KN压力机上将拔脚后的坯料放入滚挤型腔滚挤分料，形成中间法兰坯料5与大端坯料6，滚挤后立即转移到预锻型腔预锻成型，预锻变形量控制在30％。

由于喷嘴实际使用时除中间法兰和小端是与外界配合部位，其他部位都是非配合部位，具有足够的设计强度，锻件采用直接锻造成型，也即净近成型。因喷嘴小端接口直径远小于其他部位，且是配合部分，需放余量加工。通过将小端的拔脚变形量控制在70.3％，使拔脚变形量在材料的临界变形量范围之外，避免后续加工过程中小端晶粒长大，使后续加工过程中坯料整体的晶粒度相对均匀的保持在细于4级的程度。再通过对预锻变形量控制在30％，同样在材料的临界变形量范围之外，保证进入精锻过程的坯料其晶粒度保持在细于4级的程度。这样坯料制作过程中确保变形量避开临界变形量，有利于细化晶粒，防止晶粒长大。

成型，将预锻坯料修伤、着色检查无缺陷后，再次用箱式电炉加热棒料，按0.4～0.8mm/min，保温25～40min。坯料锻造加热温度为1180℃，锻造温度控制在1175～1050℃，整形温度控制在1000℃-950℃。到保温时间后从电炉取出，在16000KN压力机上将坯料放入精锻模具锻压成形，精锻变形量控制在45％，然后进行切边、风冷。

GH4648的常规锻造加热温度为1200℃±10℃，锻造温度在1195℃～950℃之间。本申请技术方案中坯料制作及成型过程中，调整锻件加热温度至1180℃，锻造温度控制在1175℃～1050℃之间(用接触式测温仪检测锻件终锻温度，下同)，整形温度控制在1000℃～950℃之间，这样通过对降低加热温度，提高锻造温度，避免了该高温合金材料出现晶粒粗大和塑性急剧降低的情况，同时通过提高并控制终锻温度，避免了冷作硬化。同样，为了保证锻件质量，在生产过程中对预锻模具、精锻模具及其他夹持操作锻件的工具，均进行预热处理，预热温度200-300℃。这样通过对温度的控制，实现了对锻件晶粒度的控制。

再将锻件放入箱式电炉进行固溶处理，随炉升温至1140℃±5℃，保温60min±5min，空冷。最后进行理化检测。

本申请技术方案中，还通过将固溶温度控制在1140±5℃，保证锻件晶粒度。该温度范围是发明人无意中发现的，经过反复的验证，在该温度条件下，经过本申请方案前期工艺加工制造的锻件，晶粒度能够得到最佳的控制，生产得到的喷嘴室温力学性能、高温力学性能均达到最优的情况。

将本申请生产的喷嘴锻件中随机抽取在杆部进行室温力学、高温力学、晶粒度检测，横向低倍无裂纹、折叠等锻造缺陷，显微组织均匀，晶粒度7～8级。检测结果与铸件、锻件的标准参数对比，结果如表5、表6：

表5室温力学性能参数

表6高温力学性能参数

从上述表5、表6所示对比试验结果可见，采用本申请技术方案生产的喷嘴其纵向常温力学性能参数显著优于铸件标准和锻件标准，其晶粒度达到5级以上，最优可达到7级，800℃高温瞬时力学性能远超常规锻件标准值，能够稳定达到铸件标准值以上，能够有效满足替代K4648铸件喷嘴的使用性能要求。

采用本申请的锻造工艺，避免了铸造工艺存在的疏松、气孔等缺陷，使该喷嘴产品的生产合格率从不足10％提高到98％以上。以前的铸造工艺，要保证产品质量，其生产周期至少需要8天，而采用本申请的锻造工艺，同等批量的喷嘴产品仅需要4天就能完成生产，生产效率提高50％，实现该喷嘴产品的自主化高合格率、高效率生产制造，满足航空发动机的使用需求，为申请人带来金额达到千万的订单，提高了企业经济效益。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种喷嘴锻造工艺，其特征在于：包括以下步骤：

A、模具设计及制作，设计具有滚挤型腔的预锻模具，设计成型腔尺寸、外形轮廓与喷嘴相同的精锻模具；

B、原料控制，选用GH4648的棒料作为原料；

C、坯料制作，对原料进行加热后依次连续进行滚挤、预锻成形，滚挤和预锻在预锻模具中进行，预锻变形量控制在30％；

D、成型，将预锻后的坯料再次加热后在精锻模具中锻压成型，精锻变形量控制在45％-48％。

2.根据权利要求1所述的一种喷嘴锻造工艺，其特征在于：所述步骤C和步骤D中，采用箱式电炉进行坯料的加热，加热速度0.4-0.8mm/min，保温25-40min。

3.根据权利要求2所述的一种喷嘴锻造工艺，其特征在于：所述步骤C和步骤D中，控制坯料加热温度为1180℃，锻造温度控制在1175～1050℃，整形温度控制在1000℃-950℃。

4.根据权利要求1所述的一种喷嘴锻造工艺，其特征在于：所述步骤D中将坯料精锻成型并进行切边、风冷后，进行固溶处理，固溶温度控制在1140±5℃，保温60min±5min。

5.根据权利要求1所述的一种喷嘴锻造工艺，其特征在于：所述步骤C中，在进行滚挤前，对原料一端进行拔脚处理，拔脚为将原料一端镦压为细长的杆端，拔脚变形量控制在70.3％。

6.根据权利要求1所述的一种喷嘴锻造工艺，其特征在于：在进行步骤A之前，进行锻件图设计，保持锻件为喷嘴外形不变，表面各过渡部位采用圆角，圆角半径2mm，增加出模斜度5°。

7.根据权利要求1所述的一种喷嘴锻造工艺，其特征在于：步骤A中采用H13制作预锻模具，采用5CrNiMo制作精锻模具，预锻模具、精锻模具均采用上、下模结构。

8.根据权利要求1所述的一种喷嘴锻造工艺，其特征在于：所述步骤C和步骤D中，在16000KN压力机上进行预锻和精锻。

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