不同锻造方法对GH141 环件组织性能的试验研究

文／姚彦军，高殿毅·陕西宏远航空锻造有限责任公司

GH141 合金属于沉淀硬化型镍基变形高温合金，具有优异的高温强度和持久蠕变强度，在航空发动机等领域应用比较广泛。在航空发动机零部件中，GH141 环件通常作为支撑盘、涡轮盘等关键件，其工作条件复杂，为满足该实际应用工况，对于GH141 锻件材料的组织与性能提出了较高的要求。

众多学者对GH141 锻件制备工艺进行了研究，如：胡向东等人通过对GH141 环件进行不同温度下的退火和固溶热处理，得出在1080℃退火处理下，环件边角处的晶粒会发生一定程度的长大，并且随着固溶时间的增加，晶粒尺寸基本不发生变化；梁艳等人采用300kg 锻锤制备了GH141 锻件，并对合金的热加工塑性进行了研究，结果表明，GH141 合金最佳的加热温度为1130℃，开锻温度≥1100℃，停锻温度≥1000℃。但是，对加热温度、锻造火次、变形量及采用保温措施等因素对锻件的影响探究却甚少。

GH141 环件在试制过程中发现存在晶粒度、力学性能富裕度欠佳情况，为改善锻件组织性能，在借鉴相关文件资料中加热温度、变形量对组织性能影响的基础上，本文结合生产过程的实际情况，通过对锻造过程中的加热温度、变形量分布等主要工艺设定参数进行调整，开展工艺试验，试验采用光学显微镜、拉伸试验机等检测方法对优化前后锻件的组织与性能进行表征。

经过对比采用调整前后锻造工艺所生产的环件组织性能，发现适当降低锻造温度，合理分配各火次的变形量，可使得GH141 环件晶粒度提高两个等级，力学性能得到显著提升。优化后的GH141 锻造工艺可为制备航天航空等材料领域的锻件奠定一定的基础。

试验材料与方法

某型机用GH141 环件制备的主要工序分为3t 自由锻锤上锻荒(镦饼、冲孔、马扩)；φ1200mm 扩孔机上辗扩和热处理。在产品试制过程中存在晶粒度、力学性能富裕度欠佳情况。为提高环件的性能，本试验结合生产过程实际，通过调整3t 自由锻锤上锻荒和扩孔辗扩过程中的加热温度、锻造火次、变形量等措施，研究了锻件在不同加热条件下获得的组织与性能的差异。

本试验根据对优化前后两种锻造工艺下生产的GH141 环件的锻件晶粒度、力学性能进行对比的结果，获得了较优的锻造工艺参数。并从理论方面初步分析不同工艺参数对锻件组织、性能的影响规律。

试验材料

⑴原材料化学成分。

表1 为GH141 合金的成分明细，从中可以看出GH141 合金中主要以Ni 元素为主，其中Co 和Mo 的加入可以提高合金的固溶强化效果；Al 和Ti 的加入可以提高合金的时效强化作用；B 元素可强化晶界等。

表1 GH141 合金成分(质量分数，%)

⑵原材料晶粒度。

表2 为原材料晶粒度检查结果，从中可以看出棒料不同位置对应的晶粒度等级存在一定差异，原材料高倍组织详见图1。

图1 原材料高倍组织

表2 原材料晶粒度(级)

锻造工艺与设备

制坯：锻造设备为3t 自由锻锤；加热炉为天然气炉，加热温度范围为1090℃～(1120±20)℃；扩孔设备：φ1200mm 扩孔机。力学性能均取3 组有效数值，结果求其平均值。

⑴优化前工艺参数

下料规格：φ250mm×110mm；重量：45.5kg。

热处理：固溶1120℃×60min；时效900℃×60min。

优化前工艺共经历了6 火次的加热锻造，其中镦饼冲孔2 火次、马扩2 火次，均在3t 自由锻锤上进行，扩孔工序2 火次在φ1200mm 扩孔机上进行，各火次和加热温度如图2，图3 和图4 所示，其中图2 为镦饼工序，图3 为马扩工序，图4 为扩孔工序；图中的2 火均指热料回炉保温。主要变形情况如下：

图2 优化前镦饼加热曲线

图3 优化前马扩加热曲线

图4 优化前扩孔加热曲线

①镦饼冲孔工序。

第1 火次：φ250mm×110mm →～φ300mm×75mm；

第2 火次：冲孔尺寸≤φ110mm×30mm。

②马扩工序。

第1 火次：马扩至约φ370mm×φ250mm×71mm；

第2 火次：马扩至约φ407mm×φ300mm×71mm。

③扩孔工序。

第1 火次：φ480mm×φ380mm×75mm；

第2 火次：φ591mm×φ523mm×75mm。

⑵优化后工艺参数。

下料规格：φ250mm×110mm；重量：45.5kg。

优化后工艺共经历了8 火次的加热锻造，其中镦饼冲孔2 火次、马扩4 火次均在3t 自由锻锤上进行，扩孔工序2 火次在φ1200mm 扩孔机上进行，各火次和加热温度如图5，图6 和图7 所示，其中图5 为镦饼工序，图6 为马扩工序，图7 为扩孔工序；图中的2 火均指热料回炉保温。主要变形情况如下：

图5 优化后镦饼加热曲线

图6 优化后马扩加热曲线

图7 优化后扩孔加热曲线

①镦饼冲孔工序。

第1 火次：φ250mm×110mm →约φ300mm×75mm；

第2 火次：冲孔尺寸≤φ110mm×30mm。

②马扩工序。

第1 火次：马扩至φ392mm×φ280mm×85mm；

第2 火次：平端面H ＝71mm；

第3 火次：马扩至φ407mm×φ300mm×85mm；

第4 火次：平端面H ＝71mm。

③扩孔工序。

第1 火次：φ480mm×φ380mm×75mm；

第2 火次：φ591mm×φ523mm×75mm。

⑶优化前后对比。

加热设备对比，详见表3。

表3 加热设备对比

加热温度对比，详见表4 和表5。

表4 加热温度对比

表5 加热温度对比

实际生产锻件的变形量优化前后对比：优化前见表6；优化后见表7。

表6 优化前变形量

表7 优化后变形量

⑷热处理。

固溶1120℃×60min；时效900℃×60min。

⑸加热参数优化前后模拟图。

从图8、图9、图10、图11 可以看出，加热温度为1090℃时，由于提高了设计变形量，环件整体的变形程度增大，锻透性提高，心部的等效塑性应变在0.5 以上，有利于提高环件的再结晶程度细化晶粒。同时环件最高温度为1091℃，在该温度下碳化物还未溶解，能保持较小的晶粒尺寸。加热温度为1100℃时，由于设计的变形量小于1090℃时的变形量，环件心部的变形量较小，同时心部的温度为1103℃，在该温度下碳化物开始溶解，不利于获得均匀细小的晶粒。

图8 1100℃锻造温度模拟图

图9 1100℃等效塑性应变图

图10 1090℃锻造温度模拟图

图11 1090℃等效塑性应变图

首先，预锻造阶段，降低温度是为了增加临界变形量和尽量保证锻前原始晶粒度大小，而多火次变形是在变形均匀基础上，保证终锻前组织的均匀性。

其次，终锻阶段，在锻造应变速率基本一致前提下，降低锻造温度，同样为了保证原始晶粒度，同时模拟结果表明，平均变形量增加动态再结晶时的形核，并控制其晶粒长大速率，从而保证再结晶晶粒大小。

再次，同时在热处理作用下发生静态再结晶，进而保证其晶粒均匀性。

⑹试样制备。

如 图12(a) 所 示，阴 影 所 示A、B、C、D、E区域为GH141 锻件试验用样的取样位置，试样尺寸为10mm×10mm×10mm；分别用400#、600#、800#、1000#砂纸抛磨试样，将抛磨后试样进行抛光，随后使用酒精对抛光面进行擦洗并备用。金相腐蚀液选用HCl:HNO3，按3:1 比例配置。

图12 GH141 锻件取样示意图与四个取样位置的组织结构图

其中，A 区、B 区、C 区、D 区四个取样位置的组织结构图，如图12（b）所示。

组织结构与力学性能

显微组织对比

图13 为工艺优化前后对应的GH141 锻件取样的中心位置E 的显微组织形貌图。从中可以观察到，工艺优化前(如图13(a)所示)E 区的GH141 组织中存在有较大尺寸的晶粒，锻件晶粒度评级为85%7 级+15%4 ～5 级。与工艺优化前GH141 晶粒尺寸相比，工艺优化后(如图13(b)所示)E 区的GH141 组织中晶粒尺寸均比较细小，并且组织分布比较均匀，未出现尺寸较大的晶粒，锻件晶粒度评级为5 级。

图13 工艺优化前后GH141 组织形貌图

力学性能对比

工艺优化前后GH141 锻件力学性能测试结果见表8、表9 和表10。由表可以看出，与工艺优化前GH141 性能相比，优化后的GH141 锻件力学性能均有显著提高，该工艺下锻件的性能较好。

表8 常规性能试验结果

表9 高温拉伸试验结果

表10 持久度试验结果

分析与讨论

加热温度对组织性能的影响

加热温度与变形量关系如图14 所示，由于GH141合金锻件对内部组织的要求不同，致使对锻件的生产参数控制要求不同，如果生产参数控制不到位，每一参数的变化，都直接影响锻件的内部组织，使得产品无法满足最终所需要求。

图14 加热温度与变形量关系图

从图14 可以看出，当锻造温度为1000℃时，即可使变形量增加到60%，GH141 合金也只能部分再结晶；当锻造温度在1050℃变形量为58%时，该合金才获得完全再结晶；加热温度升到1100℃以上，变形量必须控制在35%左右，该合金才能达到完全再结晶，由此一来，对GH141 再结晶的难变形合金，要获得晶粒度均匀的锻件，难度是比较大的。

GH141 坯料若直接在较高温度区间加热，则易出现微裂纹或晶粒异常长大等缺陷；温度越高，变形越剧烈，能量存蓄越多，达到一定值时，就会发生动态再结晶和动态回复，即能量释放过程；变形程度是动态再结晶的必要条件，锻件存在变形死区域时，无论温度与变形速率如何变化也不发生动态再结晶；而随着温度的升高，变形程度增大，动态再结晶发生的更完全。

因此，在对GH141 坯料进行锻前加热时，优化后工艺的加热温度比优化前工艺的温度降低了20℃。因为当加热温度为1120℃时，坯料内部晶粒会出现过度长大现象，导致后续锻造过程中晶粒无法有效破碎，从而使得锻件中出现较大晶粒组织，与此同时，过度生长的晶粒也会引起晶粒之间结合力减弱，降低锻件机械性能，因此，有效降低该区段的温度，有利于使晶粒获得较合适的生长速度，同时，为防止晶粒粗大，可适当调节保温时间。由优化后工艺可知，去除了(950±50)℃的加热台阶，这是由于在第二台阶加热保温过程中，GH141 坯料中会出现析出相，这些析出相会钉扎在晶界上，阻碍晶粒的长大。

变形量对组织性能的影响

对于锻件而言，过大或过小的变形量均会引起锻件内部组织结构不均匀，同时也会造成锻件不同部位力学性能存在较大的偏差。

在优化前与优化后的工艺中，镦饼尺寸未发生变化，变形量均控制在20%左右。但在马扩1 火阶段，优化前锻件的变形量约为16%，优化后锻件的变形量约为23%；优化后的工艺生产的锻件的组织与性能更加优良。由于过小的变形量会造成坯料内部金属径向流动量减少，热变形储存的变形能也随之会减少，导致得到的晶粒尺寸较大；此外，变形能的减少不利于固溶程度的提高以及强化相的析出，也就造成锻件力学性能的下降。

结论

⑴锻造加热温度的设定对锻件晶粒度及力学性能有一定的影响。在3t 自由锻锤预制荒型及φ1200mm扩孔机扩孔时，通过将加热温度降低10℃～20℃及增加平端面工序来控制锻荒变形量，可使锻件的晶粒度由原来的3 级标准提高至5 级标准，力学性能也得到相对提高。

⑵当设定预成形变形量为35%～40%、成形变形量为28%～35%时，对应锻件的性能较好，这得益于较大的变形量可增加金属流动量以及强化相的析出。