航空發(fā)動機用GH4169高溫合金結(jié)構(gòu)件鍛造-熱處理全流程工藝試驗研究，結(jié)合數(shù)值模擬實現(xiàn)變形均勻控制，系統(tǒng)表征化學(xué)成分高溫持久性能，驗證滿足航空構(gòu)件技術(shù)條件

GH4169屬于Ni-Cr-Fe基沉淀硬化型變形高溫G合金，由于基體和沉淀相之間的共格畸變能比較大，使得該高溫合金在-253℃到650℃的溫度范圍內(nèi)能夠保持性能和組織穩(wěn)定，成為深冷溫度到高溫這一相當(dāng)寬溫度范圍內(nèi)應(yīng)用最廣泛的高溫合金。該合金對應(yīng)美國牌號為Inconel718，是航空發(fā)動機領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的鎳基高溫合金。GH4169合金是以y"相為主要強化相的時效硬化型高溫合金，在達到一定溫度時，亞穩(wěn)的y相會轉(zhuǎn)變?yōu)檎挥行蚪Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定δ相;當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，δ相含量逐漸減少直到完全消失;δ相的形貌、分布和含量對GH4169合金的組織和性能有很大影響，大小、數(shù)量和形狀適當(dāng)?shù)摩南嗫捎绊慓H4169鍛件晶粒尺寸，提高沖擊韌性和塑性，晶界上的δ相還能夠推遲裂紋的形成與擴展。該合金具有良好的綜合性能，即較高的強度、抗蠕變性能和疲勞壽命，尤其在650℃溫度以下，其力學(xué)性能具有很高的穩(wěn)定性。GH4169高溫合金在我國最初主要應(yīng)用于圓盤形鍛件，隨著變形工藝的發(fā)展，研究了變形量、變形溫度、變形道次、形變速率、變形方式以及冷卻方式、包套、潤滑等多種因素對合金中各類析出相的形態(tài)、分布、數(shù)量和材料力學(xué)性能的影響。隨著使用范圍的不斷擴大，GH4169產(chǎn)品類型也相繼擴大到環(huán)形件、盤形鍛件、棒材、板材、管材、絲材、帶材等幾乎包含所有的冷成形產(chǎn)品和熱成形產(chǎn)品。隨著航空領(lǐng)域高強度結(jié)構(gòu)件設(shè)計水平提高，較高的綜合性能要求促使GH4169在航空結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用需求日益增加。

本文選取GH4169典型結(jié)構(gòu)件，通過數(shù)值模擬等方式制定了鍛件工藝方案，開展了鍛件研制，并分析了鍛件化學(xué)成分、金相組織和力學(xué)性能等，驗證了鍛造工藝的可行性。

一、試驗材料及方法

1、典型鍛件選取

選取典型鍛件為GH4169合金的異形板狀結(jié)構(gòu)件采用胎模鍛方式成形，鍛件規(guī)格參數(shù)如表1所示，鍛件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

表1典型鍛件規(guī)格參數(shù)

2、試驗方案設(shè)計

(1)鍛造工藝。

本研究采用胎模鍛造方式在大型液壓機上進行鍛造，通過優(yōu)化截面形狀來保證變形量分布均勻;鍛造加熱溫度選擇在δ相的溶解溫度范圍內(nèi)，為1000℃~1020℃;鍛造前對坯料進行包套。典型鍛件的成形過程仿真流程如圖2所示，采用?300mm規(guī)格的棒材原材料，2火次模鍛成形。

(2)熱處理工藝。

GH4169高溫合金典型鍛件采用“固溶+時效”熱處理制度。

固溶工藝參數(shù):(950~980)℃±10℃，保溫1h~1.5h，油冷;

時效工藝參數(shù):(700~740)℃±10℃，保溫6h~10h，以(40~60)℃/h冷速爐冷至600℃~640℃，保溫6h~10h，空冷。

固溶出爐時迅速將鍛件轉(zhuǎn)移至淬火油槽中，淬火油初始溫度≤35℃，全程油溫≤60℃，淬火過程開啟攪拌。淬火后及時檢查變形情況。時效過程中應(yīng)均勻升溫或降溫，以達設(shè)定溫度開始計算保溫時間，但爐冷至第二階段以到達620℃開始計算。

3、試驗過程

試驗材料取自GH4169典型鍛件,試驗項目包括化學(xué)成分、縱橫向室溫拉伸、高溫拉伸、高溫持久，金相組織。金相組織打磨拋光后進行腐蝕，腐蝕液的成分為高錳酸鉀和鹽酸，熱煮10s~15s，再用草酸水溶液清洗檢測面后，選擇高倍顯微鏡觀察組織形貌。

二、試驗結(jié)果及分析

1、化學(xué)成分

GH4169高溫合金典型鍛件化學(xué)成分如表2所示，三批次產(chǎn)品的成分均較為均勻。

表2鍛件化學(xué)成分(%，質(zhì)量分數(shù))

金相組織

GH4169高溫合金典型鍛件晶粒度如圖3所示，晶粒度均達到8級，遠高于標(biāo)準(zhǔn)要求的平均晶粒度為4級或更細,允許個別2級晶粒存在的要求,說明鍛造變形充分，組織細化充分。

典型鍛件顯微組織如圖4所示，GH4169高溫合金主要強化相為γ"相，其穩(wěn)定溫度為650℃，強化相開始固溶溫度為840℃~870℃，完全固溶溫度為950℃。δ項的開始析出溫度為700℃，析出峰值為940℃，完全溶解溫度為1020℃。圖中δ相呈短棒狀分布于晶界，該組織能夠降低鍛件缺口敏感性，提升鍛件疲勞性能，且晶界析出的δ相分布均勻，能夠起到晶界釘扎作用，阻礙晶粒粗化，提升材料力學(xué)性能。

力學(xué)性能

經(jīng)3批次鍛件力學(xué)性能檢測表明，典型鍛件縱向室溫抗拉強度分布區(qū)間1435MPa~1496MPa，平均1470MPa，高出標(biāo)準(zhǔn)值195MPa;橫向室溫抗拉強度分布區(qū)間1429MPa~1489MPa，平均1452MPa，高出標(biāo)準(zhǔn)值212MPa;縱向高溫抗拉強度分布區(qū)間1174MPa~1223MPa，平均1199MPa，高出標(biāo)準(zhǔn)值199MPa;橫向高溫抗拉強度分布區(qū)間1157MPa~1187MPa，平均1176MPa，高出標(biāo)準(zhǔn)值176MPa。縱向室溫屈服強度分布區(qū)間 1088MPa~1236MPa，平均 1193MPa，高出標(biāo)準(zhǔn)值158MPa;橫向室溫屈服強度分布區(qū)間1157MPa~1205MPa，平均1178MPa，高出標(biāo)準(zhǔn)值143MPa;縱向高溫屈服強度分布區(qū)間 962MPa~ 1048MPa，平均1024MPa，高出標(biāo)準(zhǔn)值164MPa;橫向高溫屈服強度分布區(qū)間969MPa~1029MPa，平均1005MPa，高出標(biāo)準(zhǔn)值145MPa。

從檢測數(shù)據(jù)分析，抗拉強度與屈服強度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其中屈服強度數(shù)據(jù)具有一定的波動性，均具有充足的性能富余量。縱向室溫延伸率分布區(qū)間17%~23.5%，平均20.2%，高出標(biāo)準(zhǔn)值8.2%;橫向室溫延伸率分布區(qū)間13%~21.5%，平均18.2%，高出標(biāo)準(zhǔn)值8.2%;縱向高溫延伸率分布區(qū)間16.5%~42.5%，平均28.4%，高出標(biāo)準(zhǔn)值16.4%;橫向高溫延伸率分布區(qū)間15%~36%，平均23.9%，高出標(biāo)準(zhǔn)值11.9%。縱向室溫斷面收縮率分布區(qū)間33%~36%，平均34.5%，高出標(biāo)準(zhǔn)值19.5%;橫向室溫斷面收縮率分布區(qū)間25%~33%，平均29.5%，高出標(biāo)準(zhǔn)值17.5%;縱向高溫斷面收縮率分布區(qū)間58%~69%，平均62.6%，高出標(biāo)準(zhǔn)值47.6%;橫向高溫斷面收縮率分布區(qū)間56%~65%，平均59.1%，高出標(biāo)準(zhǔn)值44.1%。具體檢測數(shù)據(jù)見表3、表4、圖5。

表3拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)值

表4持久性能檢測結(jié)果

高溫持久性能數(shù)據(jù)分布見圖6，高溫持久斷后延伸率分布區(qū)間 14.7%～27.7%,平均 19.7%,高出標(biāo)準(zhǔn)值14.7%。斷后延伸率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，數(shù)據(jù)具有一定的波動性,但均具有充足的性能富余量。

結(jié)論

通過開展典型結(jié)構(gòu)鍛件工藝實驗,并經(jīng)過化學(xué)成分、組織、力學(xué)性能等分析,得出如下結(jié)論:

(1)GH4169高溫合金制備航空結(jié)構(gòu)件適用于胎模鍛鍛造;

(2)制備航空結(jié)構(gòu)件應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)成分 GH4169高溫合金，采用II類熱處理制度，可提高結(jié)構(gòu)件疲勞性能，滿足航空結(jié)構(gòu)件需求。

（注，原文標(biāo)題：GH4169高溫合金航空結(jié)構(gòu)件熱加工行為研究_蔡森）