GH4141大锥度喷嘴内支撑环锻造工艺研究

项春花，王光宇，林凌，张诗扬，颜开群，王攀智

贵州航宇科技发展股份有限公司 贵州贵阳 550081

1 序言

GH4141大锥度喷嘴内支撑环是异形锻件，其形状复杂，为非对称结构，斜度为45°～55°，采用传统的矩形件锻造与机械加工方法，虽然锻造方法简单，但对材料的利用率大大降低，又因RENE41的价格昂贵而使成本剧增[1]。因此，为提高产品的材料利用率，降低产品的锻造成本，设计出与该产品轮廓接近的异形锻件具有重要意义[2]。本文针对这一问题，以前期模拟试验为基础，设计出完整的工艺流程，经过多次锻造后再经机械加工得出成品，并通过对比分析锻件前后晶粒度来判断锻件的性能。

2 锻件特点

1）GH4141是沉积硬化型镍基变形高温合金，在650～950℃温度内，具有高的拉伸和持久蠕变强度，以及杰出的抗氧化功能。与GH4169相比，G H4141使用温度范围更宽，广泛适用于制造在870℃以下要求有高强度，以及在980℃以下要求抗氧化的航空航天发动机高温零部件[3]。该锻件的组织性能要求较高，晶粒度要求3级或更细且要求均匀，主要性能有高温拉伸、硬度及晶粒度等。

2）该合金变形抗力大，锻造温度范围更窄，若锻造温度低，则材料容易出现表面裂纹；若锻造温度高，则锻件的性能和晶粒组织不能满足要求，流动性较差，给锻件成形带来困难。

3）从锻件形状看，锻件大头外径为869mm，小头内径为484mm，如图1所示。锻件最大位置斜度约45°，属于大锥度形状，需进行胎模掰形并整形，从锻件的体积分布看（见图2），锻件小头端料小，大头端料大，故锻件在成形过程中需进行大头端聚料。从锻件尺寸及中间矩形坯料壁厚考虑，考虑常规掰形方案模具数量多、火次多，且在掰形阶段高度容易拉料等问题，结合以前成形方案的经验，该锻件在成形过程中使用定制胎膜预成形方法进行预制坯，通过大头端面局部聚料方法成形。锻件基础信息见表1。

表1 锻件基础信息

图1 锻件规格尺寸

图2 锻件体积分布

3 锻造工艺设计与模拟

根据锻件形状，初步设计锻件生产过程为镦粗、冲孔、矩形预轧、异形终轧和定制胎膜预成形，并对胎模掰斜聚料进行模拟，如图3所示。

图3 胎模成形过程模拟

从模拟情况看，坯料经过预成形工序，过程简单，火次少，锻件成形过程贴膜良好，尺寸满足设计图样要求。

4 成形过程

4.1 原材料

锻件原材料采用抚顺特殊钢股份有限公司提供的Rene41高温合金，规格为φ250mm，化学成分见表2。交付状态为锻造车光，试样状态为退火＋固溶＋时效态，具体性能见表3。

表2 原材料化学成分（质量分数）（%）

表3 原材料性能

4.2 工艺流程

1）为保证锻件的最终晶粒度在3级或更细且晶粒均匀，锻件的力学性能满足相应的规范要求，将坯料的制坯加热温度定在1080～1120℃，成形温度定在1000～1065℃，并且在锻造过程中使用包套的方法，减小温降，减少锻造过程中裂纹的产生，为得到均匀的组织和满足要求的力学性能提供了保障。

2）具体工艺路线：下料→镦粗、冲孔→预轧、平端面→预轧→预轧→终轧→胀形→锻检→高倍检查→预成形→锻检→预成形→锻检→预成形→锻检→高倍检查→预成形→锻检→成形→锻检→高倍检查→退火＋固溶→高倍检查→机械加工→理化检测。

3）按上述工艺方案试制出的锻件，其外形良好，锻件各部位均能够填充模具型腔，锻件成形形状如图4所示。

图4 锻件成形形状

4）分别在轧制完成后与成形后检测端面晶粒度，与未锻造前晶粒度相比，锻件的原始晶粒度为3～6级，轧制完成后存在约60%的4.5～5级晶粒，约40%的9.5～10级细晶，锻造过程变形较为均匀，晶粒度满足规范要求，预成形期间，由于主要对大端面进行变形掰斜，因此大端与小端晶粒度存在差异，小端为6～7级，大端为7～8级，存在约30%的9～10级细晶，后续通过热处理改善使锻件整体晶粒度均匀。

5）热处理制度如下。

退火：（1079±14）℃×（30～35）min，风冷。

固溶：（1066±14）℃×（30～35）min，风冷。

6）将成形后锻件转机械加工去除毛边后，划线检测锻件尺寸，具体划线检测要求如图5所示，统计结果见表4。

表4 确认位置直径（mm）

从表4可看出，与名义尺寸相比，内径与外径整体在名义尺寸附近偏离0～3mm，在公差范围内，满足工艺要求。

4.3 组织、性能分析

经机械加工后做全截面晶粒度检测，图6所示为大头端与小头端的显微组织。从图6可看出，大头端晶粒度在6.5～7级，小头端平均晶粒度在6～7级，且存在个别粗晶，约4级，原因是在锻造过程中，小头端变形量小，导致个别晶粒长大。但大小头晶粒度差距不大，晶粒度均匀，且满足规范要求。与未热处理之前相比，细晶消除，整体晶粒度均匀，力学性能得到大幅改善。

5 结束语

1）从模拟情况看，坯料经过预成形工序，过程简单，锻件成形过程贴膜良好，尺寸满足设计图样要求。

2）经过多次锻造成形后，划线检测内外径尺寸，大头端出现内径多肉、外径偏小的情况，但锻件尺寸满足公差要求。

3）锻件前后晶粒度变化明显，轧制完成后晶粒度整体较为均匀且明显细化，约60%的4.5～5级晶粒，约40%的9.5～10级细晶，力学性能因此大大提高，成形后晶粒度大头端与小头端相比，大头端更细，热处理后得以改善。

4）经机械加工后进行全截面晶粒度检测，结果整个截面晶粒度均匀，达到6.5～7级，满足规范要求。