燃气轮机用GH4698合金涡轮盘锻造工艺

文／宗师，李辉，张凯·西安三角防务股份有限公司

燃气轮机涡轮盘材料GH4698是一种特殊的镍基高温合金，其合金化程度较高，锻造时具有较高的变形抗力和较窄的变形温度范围，所以要满足锻件的内在质量要求，必须制定合理的工艺路线。本文从材料的化学成分、锻造工艺、数值模拟和试制生产等方面介绍了涡轮盘的生产过程。经验证通过热处理固溶、时效后的涡轮盘锻件，显微组织、力学性能完全达到使用要求，并且已批量生产，效果良好。

GH4698合金是以γ'相为强化相的沉淀强化型难变形镍基合金，主要强化元素为铝、钛、钼、铌、铬等，其合金化程度较高，锻造时具有较高的变形抗力和较窄的变形温度范围，给锻造带来困难。主要用作大型燃气轮机涡轮盘材料，使用条件恶劣，性能要求苛刻。

锻件的化学成分及性能要求

该涡轮盘锻件的原材料采用牌号为GH4698的高温合金，化学成分要求见表1，力学性能要求见表2。

锻件不得存在过烧、过热组织，表面不得存在空洞、针孔、裂纹、分层、疏松、环形偏析和外来夹杂等缺陷。GH4698属镍基高温合金，该材料锻造温度范围窄，为了获得最佳使用性能，必须精确控制锻造温度，当锻件温度降至再结晶温度以下进行锻造时，会对内部组织造成严重影响，形成混晶。所以要满足锻件的质量要求，必须合理分配镦饼及模锻过程中坯料的变形量，控制在50%～70%，模锻过程中对坯料进行硬包套，保证坯料能够有较高的始锻温度，严格控制坯料在锻造过程中的转移时间及终锻温度。

表1 锻件的化学成分(wt%)

表2 锻件的力学性能

锻造工艺方案

主要工艺路线

从下料开始直至锻件的最终理化完成，确定了以下主要工艺路线，见图1。

主要工艺过程

⑴下料。

图1 锻造工艺路线

用线切割对棒材进行下料，车棒料两端面、倒角，要求两端面垂直度≤0.5°，线切割下料热影响区单边加工量1～2mm，倒角R20～R30mm，不允许打顶尖孔，每段棒料需标记熔炼炉（代)号、锭节号、锻件图号，检验人员需对棒料的尺寸、表面质量、标记内容进行核对。

⑵镦饼。

锻造设备为400MN液压机，加热设备为高温电炉(炉温均匀性±10℃)，加热规范见图2。

图2 锻件镦粗加热规范

1)硬包套：保温材料、高温合金粘结剂、石墨粉、0.8～1.5mm厚的1Cr18Ni9Ti不锈钢板，常温下对坯料进行硬包套并做标记；

2)炉温均匀性校准后须在有效期内，毛料必须装在控温合格区内。加热前清扫炉膛，按锭节号装炉，并记录装炉位置，毛料必须单层摆放，且料间距≥100mm。

锻造技术要求：

1)坯料转移时间≤30秒，镦饼前坯料两端面应垫上撒有石墨粉的保温材料；

2)终锻温度≥1000℃；

3)冷却方式：去掉包套散开空冷；

4)吹砂、打磨：排除表面缺陷，其宽深比≥10。

锻造工艺参数：将坯料镦饼至φ775mm×(375±10)mm，详细工艺参数如下。

1)空程阶段：距零点1500～1300mm，速度110mm/s；

2)压制阶段：距零点1300～375mm，速度5mm/s。

⑶模锻。

在400MN液压机上进行模锻，加热设备为高温电炉(炉温均匀性±10℃)，模具预热温度250～350℃，预热时间≥12小时，模具润滑采用水基石墨；坯料同样采用硬包套，模锻加热规范见图3，锻造技术要求同镦饼工序，模锻工艺参数如下。

1)空程阶段：距零点950～350mm阶段，速度110mm/s；

2)压制阶段1：距零点350～70mm阶段(欠压50mm)，速度 5mm/s；

3)压制阶段2：距零点70～25mm阶段(欠压5mm)，速度 1mm/s。

模锻完成后对锻件进行首次粗加工、热处理前探伤、热处理(固溶+时效)、粗加工、最终探伤、理化检测等工序。

数值模拟验证

运用Simufact有限元分析软件对工艺规程进行数值模拟验证，按照工艺规程选定数值模拟参数，分析模锻温度、压制速度、荒形尺寸对最终锻件的成形效果、应变场及温度场的分布影响，最终验证工艺规程的可行性，模拟结果见图4～6。

图3 锻件模锻加热规范

图4 应变场模拟结果

图5 温度场模拟结果

图6 成形效果模拟结果

通过分析图4～6模拟结果，可以发现终锻完成，涡轮盘锻件除表面局部存在温降区域，内部其他部分温度均在1000℃以上，锻件内部最高温度1135℃，内部最大温升15℃；涡轮盘锻件内部所有区域等效应变均在0.7以上，变形充分；成形过程未见异常，锻件上下模充填良好，毛边均匀。

以上数值模拟结果验证了该工艺规程的可行性，为后续试制生产提供了理论基础。

试制生产

按照制定好的工艺方案进行试制生产，具体生产过程见图7。终锻完成后锻件上下模充填良好、毛边均匀，达到了锻件图的外形尺寸要求，最终粗加工交付件如图8所示。

图7 锻件试制生产

表3 锻件的力学性能

图8 粗加工件

图9 锻件显微组织

理化检测

锻件经热处理固溶、时效后，其力学性能见表3，显微组织见图9。锻件经理化检测无过热、过烧组织，晶粒度为2～3级，各项性能指标满足技术条件要求。

结束语

经首批试制及小批量生产证明，该工艺方案生产的涡轮盘锻件满足产品设计及使用要求，现已批量生产，效果良好。