GH141镍基高温合金环形件生产工艺优化

谢永富，李玉凤，苏春民

(贵州安大航空锻造有限责任公司， 贵州 安顺 561001)



GH141镍基高温合金环形件生产工艺优化

谢永富，李玉凤，苏春民

(贵州安大航空锻造有限责任公司， 贵州 安顺 561001)

针对某机型GH141合金小环形件变形温度窄、温降快、易开裂、成形困难导致组织不均匀等问题进行分析，通过优化工艺及成形坯料缩短终轧整形时间，严格控制温降速度，最终获得组织和性能良好的锻件，对锻件截面不同部位的高倍组织进行了试验研究，证明锻件组织均匀性较好，工艺方案可行，为后续类似锻件的生产提供了理论和实践依据。

GH141合金；中小环件；工艺优化；组织均匀性

GH141合金属Ni-Cr-Co-Mo系类镍基高温合金，是介于变形高温高强度合金和铸造高温高强度合金之间的高温高强度合金，合金的高温变形抗力大，锻造温度区间窄，开坯极其困难，尤其是中小环形件，锻造工序复杂，热成形周期长、锻件温降快，极易开裂，或出现粗晶、混晶等品质缺陷导致锻件报废。缩短环件热成形时间，减小温降，保证单火次变形量足够是确保环件成形品质的关键[1-11]。我公司生产的GH141合金环件屡次出现粗晶和混晶等品质问题导致锻件报废，各项目组开展了多次工艺试验，研究加热温度、热处理制度等因素对环件组织的影响，但均未从根本上解决问题。热加工工艺及操作基本上决定了锻件的组织和性能，必须对锻造工艺及操作过程进行改善。论文通过优化中小环件成形工艺，提升中间坯料形状和尺寸精度，缩短环件终轧过程的整形时间，保证环件在GH141合金安全温度区间完成主轧制阶段，获得合格的锻件组织和优异的力学性能，为后续类似锻件的精细化生产提供了理论和实践依据。

1 锻件工艺可行性分析

某篦齿环粗加工锻件图如图1所示。锻件属于中小型环件，锻件壁厚较薄，高度较小，在成形过程中温降较快，容易造成锻件锻造温度分布不均匀，加之GH141合金变形区间较窄，极易造成锻件在临界变形区域成形，导致锻件性能恶化，组织不均匀。

初期生产的该锻件预轧修伤后直接终轧，锻件高倍组织多为粗晶或者混晶，导致锻件报废，经过分析发现主要问题为成形过程应变速率偏低，动态再结晶激活能不足，导致难变形区域动态再结晶不完全，晶粒未经破碎直接长大。

这样，变形过渡区域可能会出现部分动态再结晶，在后续热加工过程中晶粒长大，容易出现混晶。为此，需要提高应变速率，保证变形过程材料获得足够的动能，完成动态再结晶过程，提高组织的均匀性。

图1 锻件设计

锻件热加工过程中的变形量是决定锻件组织演变品质的关键工艺参数之一，为了保证锻造过程中原始粗晶充分破碎并获得细化的均匀组织，将锻造过程的变形量控制在30%以上，选用规格为Ф150 mm的GH141合金棒材进行生产。

材料的化学成分如表1所示，GH141合金原材料的品质是后续热加工及热处理组织演变的组织基础，为确保原材料品质，对原材料进行了理化检测，性能数据见表2，各项性能指标均符合标准要求。

根据锻件的几何特性，设计了锻件的成形工艺路线：镦粗→冲孔→预轧平高度→修伤→机加内孔→终轧。该工艺路线的关键点在于对终轧坯料进行了内孔机加，对终轧坯料内孔进行机加不仅仅是为了排伤，消除表面裂纹，更重要的是机加内孔可以保证锻件与芯辊在高度方向均匀接触，保证受力均匀；同时大大缩短了终轧过程中坯料整形阶段的时间，在锻件温降较小的时候就进入主轧制阶段，锻件一火成形获得足够的变形量，避开了锻件的临界变形范围，保证锻件获得均匀细小的组织。

表1 原材料化学成分

2 锻件生产试制

锻件按照设计的工艺路线进行生产，对终轧坯料进行了修整，保证坯料内孔表面与芯辊充分接触且受力平稳，缩短轧制调整时间，提高了锻件成形的应变速率，在合适的变形温度范围内完成锻件的主轧制阶段。应变速率提高能保证锻件轧制过程获得足够的激活能促使晶粒形核及长大，完成动态再结晶，获得均匀的组织性能，终轧实物如图2所示。

图2 终轧实物图

按照标准工艺对锻件进行热处理并进行理化检测，低倍组织未见缺陷，原材料高倍组织均晶粒度为7级，存在个别2级晶粒。经过锻造，晶粒演变为3.5级且基本均匀。力学性能检测数据如表2，均符合锻件标准要求。对比原材料和锻件的理化性能可知，锻造后材料性能有所改善，组织均匀性好，锻件强度有所下降，塑韧性得到提高。

表2 原材料及锻件理化数据

3 工艺试验验证

为了验证优化的锻造工艺，开展了工艺试验， 如图3所示在锻件截面上截取3个试样对其进行高倍检测，检测结果显示3个试样弦向晶粒度均为3.5级且基本均匀。

图3 工艺试验取样图

3个试样的高倍组织照片如图4，从照片可以看出组织由γ基体，γ’相和少量MC、M6C型碳化物组成。碳化物呈小块状、颗粒状或者是链状沿晶界分布，增强了对晶界的钉扎作用，抑制了热处理过程中晶粒迅速长大的趋势；其弥散分布在一定程度上抑制了高温状态下晶粒的吞并过程，对组织的均匀性也起到增强的作用，同时提升了材料的塑韧性[7-11]。从三个试样的高倍组织和晶粒度可以看出环件沿高向各处组织基本均匀，成分差异小，说明锻造过程锻件受力均匀，成形品质好，组织均匀。

图4 试样弦向高倍组织

4 结论

1) 采用优化工艺对GH141合金中小环形件终成形坯料进行机加整形后进行终轧，获得均匀的组织和良好的力学性能。

2) 矩形环坯内孔与芯辊接触面的受力均匀，可以大幅缩减轧制过程中坯料的整形时间，保证在GH141合金安全锻造温度区间内完成主轧制及精整，能显著提升锻件组织均匀性。

3) 试制结果表明主轧制过程温降小变形量足够且受力均匀，能有效避开材料的临界变形区域，避免了热处理过程中锻造组织粗化，获得细小匀晶，提高锻件的塑韧性。

4) 研究结果可推广至类似难变形高温合金环形件的轧制过程。

[1] 耿健.复杂截面环件在辗轧过程中的材料流动规律[D].西安:西北工业大学,2009.

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[6] 刘维昌,GH141合金碳化物及γ’的沉淀[J].特殊钢,1996(6):12-17.

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[8] 陈国良,高温合金[M].北京：冶金工业出版社,1988.

[9] 刘雅静,GH141镍基合金晶界薄膜的研究[D].沈阳：东北大学,1996.

[10]陈爱民,均匀化热处理对GH141镍基合金热塑性的影响[D].沈阳：东北大学,1996.

[11]刘东,GH141合金和GH907合金的本构关系[J].热加工工艺,1997(5):20-22.

(责任编辑 唐定国)

Research on Processing Optimization of Miniature Ring Forging with GH141 Alloy

XIE Yongfu， LI Yufeng， SU Chunmin

(Guizhou Anda Aviation Forging Limited Company, Anshun 561001, China)

The study is about microstructure asymmetry of GH141 alloy miniature ring forgings, which were induced by low forming temperature and deformation and so on. Processing optimization may reduce the osculation time between ring forgings and rolls to control temperature reduction velocity that dynamic recrystallization occurred during the appropriate forming temperature, so as to gain the acceptable forgings structure and mechanical property. Then the trial-manufacture was implemented to validate processing feasibility and the microstructure experiment was performed to confirm the microstructure uniformity be achieved with the optimized processing. The conclusion of research can used to manufacture analogous products.

GH141 alloy；miniature ring forgings; processing optimization；microstructure uniformity

10.11809/scbgxb2017.07.036

2017-04-02；

2017-04-25

谢永富(1968—)，男，高级工程师，主要从事材料加工研究。

李玉凤(1987—)，女，硕士，工程师，主要从事材料加工工程研究。

format:XIE Yongfu，LI Yufeng，SU Chunmin.Research on Processing Optimization of Miniature Ring Forging with GH141 Alloy[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(7):168-170.

TG1306

A

2096-2304(2017)07-0168-03

本文引用格式：谢永富，李玉凤，苏春民.GH141镍基高温合金环形件生产工艺优化[J].兵器装备工程学报，2017(7):168-170.