引言
航空裝備用的支架、平衡配重塊和整流葉片等零件，組織性能要求較高，多采用高溫合金、鈦合金 等難變形材質的鍛件。在研制階段，為加快試驗進度，降低工裝成本，大多采用能夠包容整個零件輪廓的方體類鍛件。自由鍛方法在鍛錘上成形，是將棒料放置于上下錘砧之間，使棒料軸線垂直于打擊方向，并通過拔長、鐓粗、規方等工序最終獲得符合尺寸、組織性能要求的合格鍛件，具有操作靈活、工具簡單 等優點。但同時需要注意，方體類鍛件的成形主要通 過拔長工序，屬于局部加載、局部受力、局部變形的 情況。當坯料沿著軸向逐次送進拔長時，側表面易產生鼓形，且坯料內部也容易存在變形不均勻。此外，該方法受操作者技能水平影響較大，且每次變形的力度無法控制，鍛件產品尺寸和公差波動大、生產效率低且鍛件質量一致性差。尤其對于鍛造溫度窗口 較窄、變形抗力大且受溫度敏感材質的方體類鍛件，常常因心部交替受力、過程控制不當而出現廢品[1-3]。由圓棒料成型方體類鍛件的過程中，內部受力情況及易出現的缺陷如圖 1 所示。
GH4169 合金是一種 γ″相沉淀強化的 Ni-Cr-Fe基變形高溫合金，650℃以下強度居高溫合金之首，是目前綜合性能最好的變形高溫合金之一，在航空、航天領域中得到了廣泛應用[4-6]。同時，GH4169 合金又是一種典型的難變形材料，變形抗力大，熱導率低，尤其是鍛件的微觀組織和力學性能對鍛造熱力參數和熱加工歷史高度敏感[7-12]。因此采用自由鍛方法制備 GH4169 合金方體類鍛件時需要合理的工藝設計和嚴格的過程控制才能夠保證鍛件質量。
環形件精密軋制技術，是借助輾環機（又稱軋環機或擴孔機） 設備將環坯連續咬入主輥與芯輥構成 的孔型，使其壁厚逐漸減小、直徑逐漸擴大、截面輪廓逐件成形的回轉塑性加工技術，其原理示意圖如圖 2 所示。主輥為主動輥，作旋轉運動；芯輥作徑向直線進給運動，環件被咬入孔型后作旋轉運動，同時帶動芯輥被動旋轉。抱輥起定心和穩定軋制作用，錐輥作旋轉運動，同時隨著環件直徑的增長而后退。當環件外徑達到目標尺寸時，軋制過程完成。與自由鍛工藝相比，環件軋制工藝具有尺寸精度高、加工余量小、內部組織均勻致密、晶粒細小和生產效率高等優點[13-15]。
此外，在航空裝備用 GH4169 合金方體類構件的研制階段，若采用常規鍛造成形工藝，由圓到方成 形遵循一定規律，故需要特定直徑尺寸的棒料[16-17]?，F實是往往存在缺少理想尺寸棒料的情況，帶來研 發成本高和材料利用率偏低等問題。因此，本文將環形件精密軋制技術與自由鍛造技術相結合，構件成 形的主要變形過程由自動化程度較高的精密軋制階段完成，然后按尺寸要求鋸切出需要的弧段，將弧段加熱后進行小變形的鍛造，最終整形成符合要求的 構件。該新工藝對構件所用棒材坯料的規格尺寸要求小，適合新品研制階段缺少理想棒料的情況，在產 品研發中具有重要的實際意義。
1、試驗材料與方法
1.1 試驗材料
實驗材料為國產直徑 ?180mm 的 GH4169 合金鍛棒，化學成分如表 1 所示，平均晶粒尺寸范圍在37.8μm，邊緣晶粒細于心部，Ni3Nb（δ 相）2-3 級。要求最終構件性能如表 2 所示。
1.2 試驗方法
采用軋制工藝和弧段鍛造工藝生產出尺寸合格的 GH4169 合金方體類鍛件，按標準制度進行固溶、時效熱處理。固溶溫度（950～980）℃×1h，720℃×8h→620℃×8h 進行兩次時效，然后檢測金相組織和力學性能。金相樣品采用 Kalling’s 2 號試劑腐蝕后用正置金相顯微鏡觀察微觀組織，拉伸試驗在 AG-50KN電子拉力試驗機設備進行。
2、成形工藝路線規劃
針對研制的 GH4169 合金目標方體類構件（見圖 3 所示），尺寸規格為 130mm×50mm×45mm，根據圓形棒料熱加工成型方體類鍛件時的金屬流動規律，需要采用 ?60mm ～?80mm 直徑規格的棒料，?70mm 規格較佳?，F場缺少該規格的棒料，僅有直徑?180mm 的 GH4169 合金棒料。采用大規格棒料成形小尺寸的方體類鍛件，常規方法是對小尺寸鍛件進行聯鍛，然后鋸切或線切割出單個鍛件。聯鍛工藝是加熱料段后在 3t 自由鍛錘上進行鍛造成形，首先平躺放料整體壓扁后進行拔長，實現由圓到方，不斷拔長不斷修整后獲得最終尺寸。然后采用鋸切或線切割方法進行切斷獲得最終產品，聯鍛工藝切割示意圖見圖 4。拔長時存在小變形區域，件與件之間、同一鍛件不同部位其質量一致性較差。而且分割小鍛件時加工面積大，生產周期較長且切割成本較高。
本文提出的大規格棒料成形小尺寸方體類構件的工藝路線為環軋制坯+圓環切斷+鍛造精整。加熱料段后，首先在輾環機設備上軋制出一個精密的環形件，將環形件鋸切出若干個弧段，然后加熱弧段， 整形獲得符合要求的最終產品。弧段鍛造工藝的示意圖如圖 5 所示。
3、分析與討論
3.1 初始坯料分析
常規方案設計的聯鍛自由鍛件，一鍛件可作 12個零件。切口寬度按 5mm 計算，聯鍛件最小尺寸為265mm×145mm×105mm。按照 HB6587-92《錘上自由 鍛件機械加工余量與尺寸公差》，查表公差 Δa=± 4mm，Δb=±5mm，考慮高溫合金材料因素，余量和公差增加 20%。則長度公差帶為 12mm，另兩個尺寸公差帶為 10mm。按上差一半算料，不計算燒損，則需要下 料 金 屬 料 段 為 ?180mm ×185mm， 重 量 38.8kg（GH4169 合金密度為 8.24×103 kg/m3）。每個零件消耗 38.8kg/12=3.23kg。聯鍛鍛件尺寸如圖 6 所示。
弧段鍛造工藝應用了環形件精密軋制技術，隨著設備精度和過程控制能力的不斷提高，?1000mm以下熱軋環件公差可控制到環件直徑尺寸的±3%，橢圓度不大于 2mm，并且環件組織均勻。將環件切斷出若干個弧段，加熱后在鍛壓設備進行平整成形，最終獲得尺寸精度較高的產品，寬度和厚度尺寸公差可以控制到±2mm。
根據由弧段到鍛件的轉化關系，首先計算所需弧段尺寸，然后計算出所需金屬體積，如圖 7 所示。
弧段高度 B1≈寬度 B，取上差 55mm；弧段壁厚 t≈高度 H，取上差 50mm； 根據拔長前后金屬體積相等原理，計算出弧段中徑尺寸：
方塊鍛件金屬體積：V1=B×H×L；
弧段金屬體積：V2=B1×t×中徑弧長⌒； 計算得出中徑弧長⌒≈114mm；
弧長與半徑的關系如下：⌒=R×2/n×π，一環件切 斷出 16 個弧段，故 n=16； 計算得中徑尺寸：R中 =114×8/3.14≈290mm；
環坯尺寸為：外徑 D=2 ×R 中+t =2 ×290 +50 = 630mm，內徑 d=2×R中 -t=2×290-50=530mm，高度 B1= 55mm。設計出環坯尺寸：?630-2 +4×?530-4 +2×55±2，公差帶不超過 6mm，橢圓度不大于 2mm。所需環件重量為 44.24kg，每個鍛件消耗金屬 44.24kg/16= 2.77kg。
相比于常規聯鍛工藝生產的自由鍛件，弧段鍛造工藝每件可節約（3.23-2.77）kg/3.23kg=14.2%的耗材。
3.2 整形過程的模擬仿真與分析
采用 UG7.5 軟件建模上砧和下砧，設置為剛體，預熱溫度 150℃。坯料采用環坯（尺寸：?630-2 +4mm× ?530-4 +2mm×55±2mm）的 1/16 弧段，設置為塑性體， 加熱溫度 1000℃，材料來自 DEFORM 軟件自帶的材料庫中的 IN718 合金。對坯料進行四面體網格劃分，生成 59800 個單元體，最小邊長尺寸 1.14mm。為簡化運算，上砧運動速度恒定，設定為 1000mm/sec，坯料和模具之間無潤滑，設置摩擦系數 0.5，熱傳導系 數設為 5 N/sec/mm/℃[18-19]。上模向-Z 方向運動，控制上模和下模之間停止距離為 42mm，共運行 68 步，每步行程 0.2mm。然后 將變形后的坯料繞+Y 軸方向旋轉 90°，經歷進給量56mm 和 70mm 的兩次拔長變形，控制上模和下模之間停止距離為 53mm。整個模擬過程的溫度場、應變 場和 1/2 長度橫截面的變形云圖如圖 8 所示。從模擬結果可以看出，大部分區域的停鍛溫度大于 910℃，GH4169 合金構件可以全部完成動態再結晶。橫截面變形基本均勻，（εmax- εmin）/ε 平均≈0.45，不存在嚴重的變形死區和未鍛透區域。
3.3 實驗試制
將工藝要求的料段放置于電阻爐的有效加熱區，加熱至（1020±10）℃，保溫一定時間后鐓粗、沖孔并軋制，按 ?630-2 +4mm×?530-4 +2mm×55±2mm 目標尺 寸制備環坯。實測三處的環坯高度尺寸（單位：mm）分別為 57、56.5 和 56.3，實測三處的壁厚尺寸（單位：mm）分別為 55、54.7 和 55.2，內孔 ?528mm～?530mm。均勻鋸切弧段 16 份，將弧段加熱至（1000±10）℃，保溫一定時間后在 3t 自由鍛錘進行成形[20-22]。
采用 3t 電液錘進行拔長，因弧段兩端頭存在尖棱邊，為防止折疊缺陷的產生，鍛造時將內圓弧面朝上，滿壓將弧段整平，然后逐次進給精整寬度和厚度尺寸。環坯鋸切和最終鍛件實物如圖 9 所示。測量產 品的寬度和高度尺寸，均滿足尺寸要求，最大寬度與最小寬度尺寸相差 4.2mm，最大高度與最小高度尺 寸相差 2.2mm，見表 3。
3.4 成形構件微觀組織和力學性能分析
檢查鍛件內部不同位置處的金相組織，見圖10a～d 平均晶粒尺寸分別為 9.4μm，5.6μm，7.9μm 和5.6μm?？梢娋鶠橥耆俳Y晶的細晶組織，組織均勻，平均晶粒尺寸小于 11.2μm。碳化物、碳-氮化物均未超過標準圖譜，且未見 Laves 相。沿鍛件長度方向切取縱向力學試樣（室溫拉伸 2 支、高溫瞬時拉伸 2支），力學性能檢測結果見圖 11 和圖 12，室溫和高溫拉伸結果均高于標準要求，強度指標富裕 100MP～ 200MPa，室溫斷面收縮率 40%左右，高溫斷面收縮率接近 60%。
聯鍛工藝的平均晶粒尺寸 26.7μm，個別平均晶 粒尺寸 63.5μm，晶內存在大量的孿晶，動態再結晶不完全，Ni3Nb（δ 相）為 3 級。與弧段鍛造工藝相比， 聯鍛工藝獲得的組織粗大且存在混晶。這與鍛件尺 寸較大，從厚度和寬度方向進行拔長時，變形不均勻且鍛透性差有關。
4、結論
（1）本文提供了一種大規格棒料成型小尺寸方體類構件的方法，即環軋制坯+圓環切斷+鍛造精整。該工藝對棒材直徑規格要求小，尤其適合新品研發階段原材料規格不完備、缺少小規格棒料的境況。
（2）弧段鍛造工藝的環坯公差 6mm、最終鍛件產 品高度和寬度公差 4mm。與將聯鍛工藝的最大公差12mm 相比，尺寸精度得到提高，并且單件原材料消耗由 3.23kg 減少到 2.77kg，平均每件節約 14.2%耗材，提高了材料利用率。
（3）弧段鍛造工藝所生產的鍛件組織均勻，為完全再結晶的細晶組織，平均晶粒尺寸小于 11.2μm。其力學性能可滿足標準要求，指標結果富裕 100~ 200MPa。
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