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          高溫合金的等溫鍛造技術

          來源:       時間:  2017-11-20 09:11

                           
             隨著航空工業技術的不斷進步,許多產品及設備的零部件對性能的要求越發苛刻, 例如發動機渦輪盤、飛行器起落架等。由此隨之發展起來的就是鎳基高溫合金。這些行業中常用的鎳基高溫合金,由于其鍛造溫度范圍窄、變形抗力大,使用常規的模鍛方法成型困難重重。
              等溫鍛造能夠加工難變形的鎳基高溫合金,以利于減少高溫合金的消耗和機械加工的費用,因此等溫鍛造技術在高溫合金航空材料壓力加工中得到了較為廣泛的應用。
           
          一  等溫鍛造技術介紹
              等溫鍛造指毛坯從始鍛到終鍛始終在同一溫度條件下進行低變形速率的鍛造。等溫鍛造( Iso thermal forging) 成形時,毛坯與模具的加熱溫度相同, 并且應變速率很低(10-4-10-2s-1), 這樣由于消除了模具激冷和材料應變硬化的影響,不僅變形抗力小,而且可以完成凈成形(near-net-shape) 加工,因而大大提高了金屬的利用率以及鍛件的性能。這種新型工藝已經成為先進難變形材料( 如鈦合金、鎳基高溫合金、金屬間化合物) 的主要成形方法,其與其他鍛造的區別如圖1所示。
              由于等溫鍛造消除了模具對坯料的激冷影響,加之緩慢的應變速率使坯料在應變過程中的應變硬化也基本消失,從而使等溫鍛造特別適合于成形低溫塑性差、鍛造溫度范圍窄、變形抗力大、應變速率對塑性影響突出且價格昂貴的金屬材料,如圖2所示。目前鑄造鎳基高溫合金都是通過等溫鍛造技術生產的。
           
          二  高溫合金等溫鍛造技術研究現狀
              美國早在上世紀70年代就成功利用等溫鍛造技術制造出鋁合金飛機發動機渦輪盤、燃料箱及其他薄壁結構件,而前蘇聯在20 世紀80年代就已經擁有生產鎳、鋁及其他高溫合金飛機或航天器零部件的整套設備,并至今還在俄羅斯有關科研院所中執行生產和研究的任務。我國對高溫合金的等溫鍛造的應用及研究時間不長,鎳基高溫合金的研究從20世紀80年代才開始。與國外相比,我國在該領域仍處于落后地位。
             從成形工藝上講,對高溫合金的等溫鍛造研究主要集中于對等溫鍛造的溫度、應變速度、應變量、零件結構、預處理與后處理等方面;從組織性能上講,主要集中于對相應合金再結晶時晶粒的控制、相變的發生形式、超塑性指標的變化、組織的均勻程度、常溫和高溫的力學性能等方面。
              國外SMC和P&W公司利用超細晶UDIMET718合金,開發出954~1010℃等溫鍛造加工技術。超細晶棒坯可降低高溫流變應力,雙變形速率分步鍛造可最小化應變速率敏感程度,在鍛造開始時對再結晶更有利。δ相加工718棒材( ASTM11~12) 足以使δ相回溶溫度區間(954~996℃)的流變應力低于100 MPa,流變應力降低可使合金能夠利用Gatorizing 方式實現等溫鍛。在亞固溶溫度(954~996 ℃) 區間,雙應變速率Gatorizing 加工采用先高后低的應變速率,促進始鍛時動態再結晶,降低第二步鍛造的流變應力,可以實現超細晶718等溫鍛造成形。
               我國也采用K3和GH4698作為模具材料,探索近等溫鍛和熱模鍛工藝生產GH4169合金盤件。鋼鐵研究總院、寶山鋼鐵股份有限公司、中國第二重型工業集團公司聯合攻關,利用熱模鍛技術生產出尺寸精化、組織均勻、性能優異的GH4169壓氣機盤。圖3為熱模鍛GH4169合金壓氣機盤晶粒度分布:與普通模鍛工藝相比,熱模鍛盤件節約原材料20%,冷模組織厚度小于5mm,輪緣不同部位持久蠕變性能波動更小。  
              北京航空材料研究院通過研究發現:牌號為FGH95、FGH96、GH710、IN718(GH4169)鎳基高溫合金在等溫鍛造時,溫度控制在1000~1100℃、應變速率在0.001~0.01s-1、變形量在40%~50%,鍛件的晶粒尺寸、組織均勻度、致密度以及力學性能都能夠達到理想的效果。
          圖3熱模鍛GH4169合金壓氣機盤晶粒度分布
           
           
          三 高溫合金等溫鍛造的發展方向
              等溫鍛造技術有著很好的的發展方向,具體如下:
          (1)等溫鍛造技術目前多局限于航空航天領域材料的制造,在民用、工程應用、汽車制造等領域的有很大的發展前景;
          (2)對等溫鍛造用模具材料的研究研發不足:目前高溫合金等溫鍛造用模具材料主要為鎳基鑄造高溫合金。這類鎳基鑄造高溫合金不僅價格昂貴,由于其強度、硬度特別高,機械加工很難進行,加工成本高、制造周期長,且因其為鑄造產品,疲勞性能差,壽命短,在使用過程中,容易從鑄造缺陷處萌生裂紋,最終擴展失效,嚴重影響模具使用壽命。模具材料及其加工制造技術是等溫鍛造能夠變為現實的最關鍵技術,也是目前為止仍需要進行大量研究與攻關的方向;
          (3)等溫鍛造行業內建立統一的設計、制造及檢驗標準。
           
          結語
              綜上所述,隨著等溫鍛等關鍵技術水平的提升,必將帶動變形高溫合金產業的整體技術進步,以適應不斷提高的航空、航天、石化、核能等領域對耐熱、耐蝕、抗蠕變、抗疲勞高溫合金產品的需求。
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          由中國模具工業協會組編、武兵書會長主編、18位模具行業專家、教授參與撰稿的《中國戰略性新興產業研究與... 更多
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