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高温合金的等温锻造技术

来源: 时间: 2017-11-20 09:11

随着航空工业技术的不断进步,许多产品及设备的零部件对性能的要求越发苛刻, 例如发动机涡轮盘、飞行器起落架等。由此随之发展起来的就是镍基高温合金。这些行业中常用的镍基高温合金,由于其锻造温度范围窄、变形抗力大,使用常规的模锻方法成型困难重重。
等温锻造能够加工难变形的镍基高温合金,以利于减少高温合金的消耗和机械加工的费用,因此等温锻造技术在高温合金航空材料压力加工中得到了较为广泛的应用。
一 等温锻造技术介绍
等温锻造指毛坯从始锻到终锻始终在同一温度条件下进行低变形速率的锻造。等温锻造( Iso thermal forging) 成形时,毛坯与模具的加热温度相同, 并且应变速率很低(10-4-10-2s-1), 这样由于消除了模具激冷和材料应变硬化的影响,不仅变形抗力小,而且可以完成净成形(near-net-shape) 加工,因而大大提高了金属的利用率以及锻件的性能。这种新型工艺已经成为先进难变形材料( 如钛合金、镍基高温合金、金属间化合物) 的主要成形方法,其与其他锻造的区别如图1所示。
由于等温锻造消除了模具对坯料的激冷影响,加之缓慢的应变速率使坯料在应变过程中的应变硬化也基本消失,从而使等温锻造特别适合于成形低温塑性差、锻造温度范围窄、变形抗力大、应变速率对塑性影响突出且价格昂贵的金属材料,如图2所示。目前铸造镍基高温合金都是通过等温锻造技术生产的。
二 高温合金等温锻造技术研究现状
美国早在上世纪70年代就成功利用等温锻造技术制造出铝合金飞机发动机涡轮盘、燃料箱及其他薄壁结构件,而前苏联在20 世纪80年代就已经拥有生产镍、铝及其他高温合金飞机或航天器零部件的整套设备,并至今还在俄罗斯有关科研院所中执行生产和研究的任务。我国对高温合金的等温锻造的应用及研究时间不长,镍基高温合金的研究从20世纪80年代才开始。与国外相比,我国在该领域仍处于落后地位。
从成形工艺上讲,对高温合金的等温锻造研究主要集中于对等温锻造的温度、应变速度、应变量、零件结构、预处理与后处理等方面;从组织性能上讲,主要集中于对相应合金再结晶时晶粒的控制、相变的发生形式、超塑性指标的变化、组织的均匀程度、常温和高温的力学性能等方面。
国外SMC和P&W公司利用超细晶UDIMET718合金,开发出954~1010℃等温锻造加工技术。超细晶棒坯可降低高温流变应力,双变形速率分步锻造可最小化应变速率敏感程度,在锻造开始时对再结晶更有利。δ相加工718棒材( ASTM11~12) 足以使δ相回溶温度区间(954~996℃)的流变应力低于100 MPa,流变应力降低可使合金能够利用Gatorizing 方式实现等温锻。在亚固溶温度(954~996 ℃) 区间,双应变速率Gatorizing 加工采用先高后低的应变速率,促进始锻时动态再结晶,降低第二步锻造的流变应力,可以实现超细晶718等温锻造成形。
我国也采用K3和GH4698作为模具材料,探索近等温锻和热模锻工艺生产GH4169合金盘件。钢铁研究总院、宝山钢铁股份有限公司、中国第二重型工业集团公司联合攻关,利用热模锻技术生产出尺寸精化、组织均匀、性能优异的GH4169压气机盘。图3为热模锻GH4169合金压气机盘晶粒度分布:与普通模锻工艺相比,热模锻盘件节约原材料20%,冷模组织厚度小于5mm,轮缘不同部位持久蠕变性能波动更小。
北京航空材料研究院通过研究发现:牌号为FGH95、FGH96、GH710、IN718(GH4169)镍基高温合金在等温锻造时,温度控制在1000~1100℃、应变速率在0.001~0.01s-1、变形量在40%~50%,锻件的晶粒尺寸、组织均匀度、致密度以及力学性能都能够达到理想的效果。
图3热模锻GH4169合金压气机盘晶粒度分布
三 高温合金等温锻造的发展方向
等温锻造技术有着很好的的发展方向,具体如下:
(1)等温锻造技术目前多局限于航空航天领域材料的制造,在民用、工程应用、汽车制造等领域的有很大的发展前景;
(2)对等温锻造用模具材料的研究研发不足:目前高温合金等温锻造用模具材料主要为镍基铸造高温合金。这类镍基铸造高温合金不仅价格昂贵,由于其强度、硬度特别高,机械加工很难进行,加工成本高、制造周期长,且因其为铸造产品,疲劳性能差,寿命短,在使用过程中,容易从铸造缺陷处萌生裂纹,最终扩展失效,严重影响模具使用寿命。模具材料及其加工制造技术是等温锻造能够变为现实的最关键技术,也是目前为止仍需要进行大量研究与攻关的方向;
(3)等温锻造行业内建立统一的设计、制造及检验标准。
结语
综上所述,随着等温锻等关键技术水平的提升,必将带动变形高温合金产业的整体技术进步,以适应不断提高的航空、航天、石化、核能等领域对耐热、耐蚀、抗蠕变、抗疲劳高温合金产品的需求。
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