渦輪用鋼GH4141鍛造工藝分析

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子工作環(huán)境一般比較惡劣—溫度高、轉(zhuǎn)速高、氣動(dòng)沖擊大等。某型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)30000 rpm，渦輪腔燃?xì)鉁囟雀哌_(dá)1123 K。為了增加渦輪轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度以及保證輪盤和轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接簡單、可靠，渦輪轉(zhuǎn)子可采用一體化結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)子葉柵與輪盤一體，同時(shí)傳動(dòng)軸與輪盤一體。結(jié)構(gòu)上就顯得盤軸外徑尺寸差異大，采用棒料直接機(jī)械加工不太現(xiàn)實(shí)，也不經(jīng)濟(jì)，一般采用整體鍛造而成。因此渦輪轉(zhuǎn)子的鍛造工藝將是轉(zhuǎn)子機(jī)械性能的關(guān)鍵因素，一旦機(jī)械性能不合格，就會(huì)出現(xiàn)葉片斷裂、輪盤龜裂等故障，造成發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作，直接導(dǎo)致發(fā)射任務(wù)失敗。

CH4141材料的本身特性決定了其鍛造加工溫度范圍窄，變形抗力大，因此確定科學(xué)合理的鍛造工藝，確保工作可靠，降低產(chǎn)品廢品率，節(jié)省生產(chǎn)成本有著重要意義。

高溫合金CH4141使用要求的機(jī)械性能指標(biāo)見表1。

鍛造基本原理

塑性材料由開始變形直至破壞分為三個(gè)階段:彈性變形、塑性變形、破裂。彈性變形發(fā)生在變形的初期階段,塑性變形是變形的第二階段。當(dāng)塑性變形達(dá)到極限狀態(tài)時(shí),金屬的連續(xù)性和完整性被破壞，發(fā)生裂紋或斷裂。鍛造就是利用金屬加熱到高溫所具有的塑性，使之變形到規(guī)定的形狀而不產(chǎn)生破裂。

金屬的塑性變形微觀上是晶體的塑性變形，晶體有單晶體和多晶體，通常使用的金屬大都是多晶體，是由大量的形狀、體積和晶格方位不同的晶粒所構(gòu)成的晶體。各個(gè)晶粒間的晶界呈犬牙交錯(cuò)狀態(tài)，每個(gè)晶粒內(nèi)部的變形都在晶界上受到晶界雜質(zhì)和相鄰晶粒的阻礙，變形抗力大。同樣成分的金屬，晶粒愈細(xì),變形抗力愈大，強(qiáng)度亦愈高。同時(shí)，由于各個(gè)晶粒的晶格位向不同，塑性變形并不是在所有晶粒內(nèi)同時(shí)和相同程度地發(fā)生著，而是首先在那些最有利于發(fā)生滑移的晶粒內(nèi)發(fā)生，因而,晶粒越細(xì)塑性變形就越均勻地分布在更多的晶粒內(nèi),塑性越好,使金屬能承受更大的整體變形而不會(huì)破裂。

金屬高溫下發(fā)生塑性變形時(shí)，晶粒在滑移面附近發(fā)生晶格畸變和晶粒破碎，在高溫下原子的擴(kuò)散速度很大，原子排列首先趨向正常，這個(gè)過程為回復(fù),回復(fù)只能消除晶格畸變，不改變晶粒的形狀和大小，也不能消除破碎的晶粒。隨著原子活動(dòng)能力進(jìn)一步增強(qiáng)，破碎和變形的晶粒就以碎晶塊為核心成長為新的細(xì)小晶粒，這個(gè)過程稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶后晶粒得到細(xì)化，塑性改善，可繼續(xù)進(jìn)行鍛造。一般隨著鍛造進(jìn)行，金屬溫度快速降低,塑性隨之變差，同時(shí)再結(jié)晶速率也會(huì)快速降低，此時(shí)如果繼續(xù)使之發(fā)生變形，變形抗力增大，會(huì)出現(xiàn)破裂。可再次加熱，提升溫度，同時(shí)充分發(fā)生再結(jié)晶，改善塑性。然而如果再結(jié)晶過程中,金屬的溫度繼續(xù)升高，則再結(jié)晶后晶粒就會(huì)聚集長大，發(fā)生二次再結(jié)晶，使材料的性能變差。

影響金屬塑性的因素

除了金屬本身的化學(xué)成分和組織狀態(tài)對其塑性有重大影響外,還受以下條件影響。①變形溫度。一般塑性變形的溫度越高，則再結(jié)晶的速度越快,塑性越好，可改善金屬的鍛造性能。但是,變形溫度過高,晶粒長大，塑性則急劇下降。②應(yīng)變速率。即單位時(shí)間內(nèi)的相對變形程度。隨著應(yīng)變速率的增加，回復(fù)和再結(jié)晶不能及時(shí)克服加工硬化的作用，使塑性下降。因此,對于本質(zhì)塑性較差的材料，應(yīng)采取較低的應(yīng)變速率，通過多次鍛造，每次回爐時(shí)，通過回復(fù)和再結(jié)晶，使塑性改善。③應(yīng)力狀態(tài)。金屬在經(jīng)受不同的方法變形時(shí)，其內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)也不同。例如，擠壓時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)是三向壓應(yīng)力;拉拔時(shí)則為兩個(gè)方向受壓，一個(gè)方向受拉;自由鍛時(shí)坯料上下同部位的應(yīng)力狀態(tài)不*相同。壓應(yīng)力使金屬質(zhì)點(diǎn)間趨向緊密，拉應(yīng)力則使它們趨向分離而易導(dǎo)致破裂。因此在三個(gè)方向的應(yīng)力中壓應(yīng)力的數(shù)目越多，金屬的塑性越好。但是,在壓應(yīng)力作用下變形時(shí)，金屬內(nèi)部的摩擦力增大，變形抗力增加。

鍛造對金屬組織和性能的影響

鍛造不僅可以使金屬改變形狀，還可使其內(nèi)部組織發(fā)生如下變化，從而影響材料的機(jī)械性能。

①材料內(nèi)部空洞性缺陷，如疏松、微裂紋等缺陷,在鍛造壓應(yīng)力作用下可以壓實(shí)直至焊合，改善組織致密性。

②細(xì)化晶粒,鍛造時(shí)粗大的晶粒在巨大的壓應(yīng)力作用下得到充分的破碎。經(jīng)過再結(jié)晶后重新形成晶粒,形成晶粒的大小與變形溫度和變形程度有關(guān)。一般地,在達(dá)到一定的變形程度后變形溫度越低，晶粒越細(xì)。

③形成纖維組織。鍛造金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，金屬內(nèi)部非金屬夾雜物沿著變形方向呈帶狀或鏈狀分布。這種組織稱為纖維組織。纖維組織的形成使金屬的機(jī)械性能出現(xiàn)方向性，沿纖維方向的塑性和韌性高于垂直纖維方向。但金屬的強(qiáng)度在兩個(gè)方向上差別不大。