GH4169合金主要用F生產航空發動機用渦輪盤。渦輪盤是I類零件,在發動機中,十分重要。因此,設計部門對GH4169合金材質提出了較高的要求。如FWS1O發動機用DA盤要求元素含量為:ω(S)^0.002%,ω(Bi)<0.00003%,ω(Pb)<0.0005%等為提高GH4169合金冶金質量,冶金廠對原材料進行了嚴格控制和管理冶煉時精選原材料,控制原材料中雜質元素的含量,同時注意爐齡和爐況。在此基礎上,冶金廠結合技術改造對冶煉工藝進行了優化,并成功開發了真空感應其空自耗電渣氣保護和真空感應,電渣電熔+真空自耗(氮氣冷卻)三聯冶煉工藝,降低了合金中雜質元素和氣體的含量。冶煉工藝也更加成熟和穩定,合金錠頭部和尾部的鋁、鈦含量相差不大,基本消除了GH4J69臺金中存在的從偏析條帶,“黑斑”和“白斑”等冶金缺陷也得以有效控制。根據FWS10發動機不同零件的工況和使用要求,對GH4169合金的成分控制有三種要求,其差異主要表現在碳、銅、硫、氣體和痕量元素含量的不同控制標準中(表3)。
GH4169合金鍛件加工難易程度
表3顯示提高GH4169合金材料純度主要表現在降碳、降硫、降低痕量元素與氣體的含量。降碳是為了提高GH4169合金的強度和疲勞性能;降硫是為了提髙合金的塑件和蠕變持久壽命;降低痕量元素的允許限是為了提高材料的純潔度,達到延長材料和零件應用壽命及提高發動機安全可靠性的目的;降低氣體元素的允許含量,有利于提髙材料的延性和韌性。
表3化學成分(質量分數/%)
元素
C
Cr
Ni
Co
Mo
Al
質量分數普通
≤0. 08
17. 00 ~21. 00
50. 00~55. 00
≤1.00
2. 80 ~3. 30
0. 20~0. 80
/% 優質
0. 02~0. 06
17. 00~21. 00
2. 80~3. 30
B
Mg
Mn
Si
P
S
≤0. 006
≤0.010
≤0. 35
≤0. 015
≤0. 005
≤0.015
Sn
Pb
Ag
Se
Te
Ti
一
~
≤0. 0005
≤0. 0003
≤0. 00005
≤0. 0001
注FWS10用材料型號標準中已將碳含量的下限降至0.015%,
目前國內高溫合金冶金廠可以冶煉出高質量的高純化學成分的GH4169合金,使我國高溫合金的冶煉水平較十年前上了一個臺階。
GH4169合金加工工藝不斷完善
“十五”期間,隨著冶金廠對冶煉設備和開坯設備的技術改造,我國已生產出直徑達Φ660mm的優質GH4169合金真空自耗錠。而十年前,我國生產的最大的GH4169合金鋼錠直徑為508mm。這主要歸功于冶金廠從國外引進了先進的帶氮氣冷卻的真空自耗爐,因為冶煉含祝量較髙的GH4169合金,鋼錠的冷卻速率必須達到一定水平,才不會產生冶金缺陷“黑斑”,所以鋼錠的冷卻方式的改進使冶煉大直徑的GH4169合金成為可能。GH4169合金材質的提高,為進一步改進熱加工工藝奠定了基礎。通過改進熱加工工藝,使GH4169合金的開坯火次從十年前的8火縮減到現在的3火,開坯后棒段的晶粒度從ASTM5?6級細化為ASTM7?8級,在縮短開坯時間的同時改善了棒材的組織和性能,提高廠生產效率-同時,針對也Φ100?Φ150mm的棒材在錘鍛過程中組織很誰控制的特點,冶金廠對GH4169合金的精鍛加工工藝進行了初步研究,為今后深入開展GH4169合金的精鍛加工工藝奠定了基礎。
結合WP14和FWS10發動機用GH4169合金盤鍛件的研制,對GH4169合金盤鍛件的模鍛工藝不斷完善。如在西南鋁業(集團)有限責任公司,對GH4169合金棒段及圓餅的裝爐位置.裝爐方式、轉移時間、包套材料、壓下量等工藝參數都有嚴格的規定;對30000t水壓機進行了改造,提高了控制精度,減小了渦輪盤的欠壓量;優化了包套材料,選用了塑性更好的包套材料,代替了使用多年的硅酸鋁纖維板。通過優化和穩定模鍛工藝,生產出滿足WP14和FWS10發動機使用的GH4169合金盤鍛件,并具備一定的批牛產能力;尤其是研制的I)A高壓渦輪盤,盤件直徑達600mm以上,是目前國內性能最高的GH4169合金盤件,盤件性能達到美國GE公司技術條件要求。同時,在100tm和63tm對擊錘上模鍛GH4169臺金盤鍛件的技術也得到穩步提高,成功生產岀一定數量的DAGH4169合金盤鍛件,滿足了發動機的使用要求。
為使GH4169合金鍛件組織更加均勻、性能更加穩定,國內利用3000I和8000r等溫鍛設備對GH4169合金的熱模鍛造工藝進行了研究,初步獲得了冷模組織較少、組織均勻、晶粒細小的GH4169合金盤鍛件,為“十一五”期間深入開展GH4169合金熱模鍛造工藝奠定了良好的基礎。
我國GH4169合金的發展與應用,為進一步提高發動機的安全可靠性,在鍛造工藝制定和模具設計上大膽創新,選用變截面原材料,并采取局部胎模鍛造的特殊優化工藝和相應措施,國內首次成功鍛造廣組織性能優良、長度達1.6m以上的盤軸一體的大型長軸類GH4169合金鍛件,滿足了發動機的需求。同時,首次研制出規格為Φ610mm*Φ450mmX80mm的GH4169合金高強厚壁環形鍛件。環形鍛件主體部位為ASTM8?K)級的比較均勻的晶粒組織,鍛件的常規力學性能、高溫低周疲勞性能和蠕變性能良好。
為生產形狀復雜的GH4169合金,對GH4169合金的超塑成形工藝進行廠研究,確定了GH4169合金的超塑成形溫度和應變速率范圍等工藝參數,并用超塑成形工制備出宇航飛行器用GH4169臺金燃氣集合器。該燃氣集合器通過了30MPa液壓壓力、保壓10min的打壓試驗。
GH4169合金的特薄壁管成形十分困難。近年國內通過將GH4169合金板材滾彎焊接成簡形旋壓坯,再經過強力旋壓成形制成fGH4169特薄壁管一并利用GH4169合金特薄壁管順利地制成波紋管。
此外,GH4169合金葉片、板材、絲材、帶材及火箭發動機用氫氧渦輪轉子等產品的加工工藝在過去十年中也更加成熟和穩定,滿足了多種型號航空、航天發動機的需求,并在核能和石化領域得到了一定程度的應用。
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