航空發(fā)動機壓氣機轉(zhuǎn)子葉片工作溫度高、受力工況復(fù)雜、服役環(huán)境惡劣，工作時主要受離心力、氣動力、熱應(yīng)力、交變力等多種負荷，對材料的疲勞性能要求較高。此類葉片往往型面復(fù)雜，具有較大的曲率半徑和扭轉(zhuǎn)角度，是典型的復(fù)雜薄壁異形零件[1-2]，對成形尺寸精度要求高，生產(chǎn)工藝路線長，制造難度大[3]。航空發(fā)動機壓氣機葉片的制備技術(shù)先后經(jīng)歷了純機加工、普通模鍛、半精鍛到精鍛的發(fā)展歷程[4]。

精鍛技術(shù)是在普通模鍛技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種精密成形技術(shù)，可使葉身精確成形[5]，葉身型面和緣板內(nèi)側(cè)無須加工，這在很大程度上減少了機械加工量[6]，該技術(shù)被喻為“綠色制造”。經(jīng)統(tǒng)計，全球采用該方法生產(chǎn)的航空發(fā)動機葉片已占到生產(chǎn)總量的80%左右[7-8]。經(jīng)過精鍛成形后，葉片尺寸精度高、內(nèi)部組織均勻，其抗疲勞性及使用壽命顯著提高[9]，因此，精鍛技術(shù)已成為航空發(fā)動機葉片制造的主流工藝。

航空發(fā)動機葉片材料的發(fā)展趨勢是高性能化（如輕質(zhì)、高強、高模、抗氧化等）和低成本化[10]。先進航空發(fā)動機技術(shù)的進步推動了高溫合金的快速發(fā)展[11]，高溫合金具有較好的熱強性、抗腐蝕性和長時組織穩(wěn)定性[12]，已成為航空發(fā)動機壓氣機葉片的主要選材[13-15]。GH4169是目前航空發(fā)動機上用量最大的變形高溫合金，它主要由δ相、γ″相、γ′相及碳化物強化而成[16]，具有良好的高溫強度、耐蝕性能、熱加工性能及焊接性能，被廣泛用于制備變形渦輪盤、軸、環(huán)、機匣、葉片及緊固件等零件[17-18]。目前，有關(guān)GH4169合金用于制備盤軸類大型鍛件的研究較多，主要集中在鍛造溫度、應(yīng)變速率、熱處理以及析出相分析等方面[19-20]。隨著航空發(fā)動機推力的增大，對葉片的性能要求也逐漸提高，要求葉片鍛件流線不能外露，普通模鍛技術(shù)難以滿足該要求，從而助推了葉片精鍛技術(shù)的發(fā)展[21]。葉片精鍛成形工藝可保持金屬流線連續(xù)，增加了葉片的強度和承載能力、提高了葉片的性能，同時由于加工量少，從而節(jié)約了材料，解決了復(fù)雜薄型葉片難加工的困難[22]。本文主要以航空發(fā)動機高壓壓氣機第7級轉(zhuǎn)子葉片為研究對象，采用精鍛成形工藝，對鍛造過程中出現(xiàn)的葉片腐蝕條帶組織進行研究，揭示了腐蝕條帶的形成原因并提出了預(yù)防措施，以期為后續(xù)GH4169合金精鍛葉片的制造提供工程支撐。

1、試驗

試驗用原材料為直徑20mm的國產(chǎn)GH4169高溫合金棒材。壓氣機第7級轉(zhuǎn)子葉片經(jīng)過擠壓、鐓頭、預(yù)鍛和終鍛4步主要工序制備而成，主要成形方式如下：采用連續(xù)回轉(zhuǎn)爐對坯料加熱到1020~1060℃，保溫一段時間后，在400~1000t的電動螺旋壓力機上成形。終鍛葉片在真空爐中進行熱處理，經(jīng)固溶熱處理（950~965℃保溫1h）+時效熱處理（720℃保溫8h，爐冷至620℃保溫8h）后，采用Kalling試劑（100mLHCl+100mL酒精+50gCuCl2）進行葉片鍛件表面腐蝕，發(fā)現(xiàn)葉片榫頭部位有如圖1a所示的 腐蝕條帶，條帶寬約1mm、長約10mm，呈弧形，進一步檢查發(fā)現(xiàn)，該條帶部位呈現(xiàn)混晶組織，由拉長晶粒和細小晶粒混合組成，平均晶粒度比葉根其他部位的晶粒度更細，如圖1b—c所示。通過與葉片成品模型對比分析可知，該部位的腐蝕條帶無法通過后續(xù)機加工完全去除，殘留的條帶組織會造成葉片組織不合格，如圖1d所示。通過對葉片緣板轉(zhuǎn)接R處進行顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)，沿輪廓外形的鍛造組織具有明顯的流線特征，該部位也呈現(xiàn)出拉長晶粒和細小晶粒組成的混晶組織形貌，如圖1e—f所示，但轉(zhuǎn)接R處未形成明顯的條帶組織，且其高倍組織符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

葉片榫頭處條帶組織由拉長晶粒和細小再結(jié)晶晶粒組成，細小再結(jié)晶晶粒占比50%以上，再結(jié)晶晶粒尺寸通常因變形量大或變形溫度低而較小，而拉長晶粒表明此處累積的變形量不足以完成全部再結(jié)晶，或者因變形溫度較低而難以實現(xiàn)完全再結(jié)晶。隨后隨機解剖了同批次多件葉片，均出現(xiàn)了類似問題，說明該問題的產(chǎn)生是批次性、通用性的，擬從原材料及鍛造工藝角度入手進行原因排查分析。

2、結(jié)果與分析

2.1葉片鍛件用原材料

在前期某批次GH4169合金壓氣機轉(zhuǎn)子葉片精鍛過程中，進行葉片縱向低倍檢查時發(fā)現(xiàn)，葉根榫頭中心區(qū)域和葉身均有光亮線顯示，壓氣機轉(zhuǎn)子葉片縱向低倍條帶組織如圖2所示，壓氣機轉(zhuǎn)子葉片縱向高倍條帶組織如圖3所示，高倍組織顯示，亮條處存在析出相偏聚。對葉片榫頭條帶區(qū)域內(nèi)的析出相和基體在掃描電鏡下進行能譜分析，結(jié)果如圖4和表1所示，據(jù)文獻[17]可知，δ相具有正交有序結(jié)構(gòu)，其化學(xué)式為Ni3Nb，晶格常數(shù)a=0.3624nm、b=0.4251nm、c=0.7406nm，根據(jù)表1中析出相的成分可以判定析出相為δ相，即葉片析出相偏聚條帶為δ相條帶。

進一步對鍛件用原材料開展試驗驗證，選取原材料經(jīng)直接固溶+時效熱處理、1050℃保溫15min后再進行固溶+時效熱處理，最后觀察金相組織（主要目的是讓原材料經(jīng)歷葉片鍛造的熱過程）。原材料經(jīng)直接固溶+時效熱處理后的晶粒組織為10級左右，整個截面分布有多條δ相條帶，如圖5所示。葉片鍛件用原材料經(jīng)1050℃保溫15min后再進行固溶+時效熱處理，其顯微組織如圖6所示，可以看到，仍有輕微δ相條帶未完全溶解，晶粒組織在5.5級左右。

由上述試驗可知，原材料中存在δ相偏聚是葉片鍛件出現(xiàn)條帶組織的一個原因，故在葉片鍛造之前需對原材料做好檢測驗收，避免存在δ相偏聚的問題。

第1章提到的壓氣機第7級轉(zhuǎn)子葉片鍛件用原材料經(jīng)固溶+時效處理后的顯微組織如圖7所示，未發(fā)現(xiàn)原材料存在δ相偏聚的異常現(xiàn)象，故此次產(chǎn)生腐蝕條帶的原因與原材料無關(guān)。

2.2葉片鍛造成形工藝分析

壓氣機第7級轉(zhuǎn)子葉片鍛件采用傳統(tǒng)的四火成形方案，即擠壓、鐓頭、預(yù)鍛、終鍛。經(jīng)復(fù)查，擠壓、鐓頭以及預(yù)鍛工序均采用前期鍛造葉片的通用制坯模，為了匹配成品葉片造型，對終鍛工序的模具進行了特殊設(shè)計。但此批葉片根部造型與前期葉片造型存在較大差異，如圖8所示，葉根榫頭尺寸沿盆背、進排氣側(cè)方向均有減小，而在實際生產(chǎn)時未考慮最終葉片造型的尺寸差異而采用了通用制坯模。通用制坯模和葉片成品造型不匹配，導(dǎo)致葉片終鍛時榫頭部位金屬余量較多，過多的金屬向后定位凸臺處流動，造成較大的應(yīng)變梯度，最終形成了低倍異常條帶組織。

根據(jù)鍛造工藝進一步開展變形量計算，葉片為三維不對稱形貌，如圖9所示，上下模分模面將葉根緣板及榫頭區(qū)域分為4部分，分別用1、2、3、4代表對應(yīng)的區(qū)域，分別用V1、V2、V3、V4代表每個區(qū)域的變形體積，用預(yù)鍛件和終鍛件相對應(yīng)的體積來表征變形量的大小。

此批葉片鍛件采用通用制坯模和終鍛模2套模具，2套模具成形得出的葉根盆弧側(cè)與葉根背弧側(cè)的變形體積比分別為1.3和1.4，如式（1）所示。

式中：V_1p、V_2p、V_3p、V_4p分別為預(yù)鍛件1—4區(qū)的變形體積；V1f、V2f、V3f、V4f分別為終鍛件1—4區(qū)的變形體積。

以上數(shù)據(jù)說明，盆弧側(cè)與背弧側(cè)的總體金屬余量合適，變形量相對均勻，可滿足產(chǎn)品設(shè)計要求，但4個部分對應(yīng)的單獨變形體積比卻存在較大差異，尤其背弧側(cè)預(yù)鍛件與終鍛件的變形體積比最大約為1.8、最小卻為1.1，如式（2）所示。

以上數(shù)據(jù)表明，盆弧側(cè)葉根緣板部分和葉根榫頭部分的金屬余量合適，金屬流動正常，變形均勻，但背弧側(cè)葉根榫頭部分（3區(qū)）金屬余量明顯偏大，變形量偏大，而葉根緣板部分4區(qū)的金屬余量偏小，變形量偏小，這樣會導(dǎo)致3區(qū)有過多的金屬流進4區(qū)，金屬跨區(qū)域異常流動，變形量分布不均勻并超出正常允許范圍。通過模鍛成形數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，榫頭部位變形不均勻，存在變形死區(qū)，而部分區(qū)域的變形又較大，兩者之間存在應(yīng)變落差較大的區(qū)域，該區(qū)域與條帶組織存在高度的一致性，如圖10所示。鍛造過程的仿真和熱模擬技術(shù)可較好地選出合理的溫度場、等效應(yīng)力等工藝參數(shù)，從而有效避免鍛造缺陷的產(chǎn)生[23]。

Chen等[24]對馬氏體不銹鋼渦輪葉片的鍛造過程進行了仿真模擬，分析了變形、溫度、晶粒尺寸等的變化規(guī)律，得出了復(fù)雜鍛件的最佳熱鍛工藝。Kocanda等[25]分析了渦輪葉片熱鍛模擬成形規(guī)律，揭示了模具型腔定位及鍛造變形量對金屬流動及模具側(cè)向力分布的影響。楊舜等[26]在葉片精鍛過程中采用數(shù)值模擬方法獲得了葉片從加壓到卸載整個過程的全部數(shù)值解，得出精鍛過程中任意時刻的溫度場、應(yīng)力–應(yīng)變分布、微觀組織演變規(guī)律及卸載后的殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變分布，還通過分析模具應(yīng)力分布、鍛造載荷及變形功等進行了葉片模具模型設(shè)計和修正。因此，在制定葉片鍛造方案過程中采用數(shù)值模擬方法是確保產(chǎn)品合理成形的有效途徑。通過仿真模擬及成形分析，基本可確定此批葉片出現(xiàn)腐蝕條帶的主要原因為預(yù)鍛與終鍛變形量不匹配，進而造成葉片榫頭局部應(yīng)變落差大而形成剪切帶。

2.3預(yù)防措施與驗證

為了優(yōu)化鍛造工藝，結(jié)合葉片成品造型重新設(shè)計了一套預(yù)鍛模具，使預(yù)鍛件和終鍛件盆弧側(cè)、背弧側(cè)的變形體積比保持在1.3~1.4，盆弧側(cè)1、2區(qū)的變形體積比保持在1.1~1.2，背弧側(cè)3、4區(qū)的變形體積比保持在1.2~1.3，確保榫頭部位金屬余量適宜、變形均勻，如式（3）—（4）所示。

優(yōu)化預(yù)鍛模后再看葉根榫頭處的等效應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變條帶趨勢得到明顯改善，如圖11a所示。采用同爐批原材料進行了一輪葉片鍛造工藝驗證，葉片鍛件低倍組織得到明顯改善，葉根榫頭低倍腐蝕條帶消失，如圖11b所示，從而驗證了形成腐蝕條帶組織是因為鍛造成形方案不合理。

3、結(jié)論

1）原材料存在δ相偏聚是GH4169合金精鍛葉片存在腐蝕條帶的原因之一，在鍛造前需對原材料嚴格做好檢測驗收。

2）鍛造成形工藝設(shè)計不合理將導(dǎo)致GH4169高溫合金精鍛葉片產(chǎn)生腐蝕條帶組織，在鍛造成形過程中應(yīng)確保葉片預(yù)鍛模和終鍛模變形相匹配，避免榫頭區(qū)域出現(xiàn)變形不均勻、產(chǎn)生應(yīng)變差。

3）結(jié)合數(shù)值模擬優(yōu)化鍛造工藝，使葉片預(yù)鍛件和終鍛件上下模具盆弧側(cè)、背弧側(cè)的變形體積比保持在1.1~1.4，這樣可使鍛造變形均勻、生產(chǎn)出低倍組織滿足要求的合格葉片。

4）在制定高溫合金葉片精鍛成形方案時，應(yīng)采用數(shù)值模擬技術(shù)進行工藝驗證與優(yōu)化，以便準(zhǔn)確設(shè)定成形工藝參數(shù)，確保葉片鍛件的組織和性能合格。

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