GH907合金是一种Fe-Co-Ni为基的低膨胀高温合金，用Nb、Ti、Si 和微量B综合强化，在650℃以下有高的强度、低的膨胀系数、良好的热疲劳性能和几乎恒定的弹性模量。低膨胀高温合金是依靠“因瓦效应”和“时效强化”发展起来的新型结构材料，利用其膨胀系数低的特点，可以实现航空发动机的间隙控制，尤其适合于制造各类航空发动机用的环形件。由于先进航空发动机发展的需要，我国对低膨胀高温合金开始了相关研究。

 

   某航空发动机用GH907合金环形锻件设计尺寸为Φ345mm×Φ245mm×100mm，内径较小，比较适合自由锻成形。自由锻成形设备简单，易于操作，但存在变形不均匀的问题，容易导致锻件组织不均。该锻件进行超声波探伤时，发现部分锻件的底波降低大于6dB，影响到对锻件内部缺陷的判定。对锻件解剖分析发现，该锻件探伤超标是组织不均匀引起的。为了提高零件的使用安全，有必要研究改进环形锻件工艺，以改善锻件的组织均匀性。本文采用超声波检测和组织分析的手段，研究底波降低与锻件组织的关系；从锻造工艺过程和原材料组织等方面， 研究锻件组织不均匀的原因；针对性地对锻造工艺进行完善，将实验结果进行对比，验证改进工艺的可行性和合理性。

 

1、 试验方法

 

      为了避免因化学成分不同带来的实验结果的偏差，实验采用同一个钢锭生产的GH907合金锻制棒材， 分析成分(质量分数，%) 为：0.28C、0.29Si、38.3Ni、14.5Co、5.08Nb、1.68Ti、0.050Cr、0.05Al、0.65Mn 、0.005B、0.003、0.0015S、余量Fe。钢锭由真空感应+电渣重熔而成，经均匀化处理后，锻成Φ170mm和Φ155mm棒材。分析棒材的组织，研究其对锻件组织性能的影响。实验采用的工艺为“镦粗+冲孔+扩孔”，锻造设备选用3t自由锻锤，加热设备均采用电炉。实验方案如下。

 

    现行工艺：下料尺寸Φ170mm×255mm，镦粗加热温度1090℃，一火镦粗至100mm；冲孔加热温度1030℃，冲孔直径Φ140mm；扩孔加热温度1050℃，一火扩至设计尺寸。   

 

    改进工艺：下料尺寸Φ155mm×290 mm，镦粗加热温度1050℃，一火镦粗至100mm，软包套；利用镦粗余热，镦粗后直接冲孔，直径冲孔准110mm；扩孔加热温度1030℃，一火扩至设计尺寸，软包套。   

      将环形锻件按标准热处理制度“980℃保温1h，空冷+775℃保温12h，以55℃/h 炉冷至620℃保温8h，空冷”进行固溶和时效处理后，加工成标准试样， 测试室温拉伸性能、540℃拉伸性能和540℃/825MPa 持久性能。用水浸法进行超声波探伤，检测锻件组织的均匀性，确定不同底波降低值对应的晶粒度和级别差异，分析锻件组织不均的原因。采用金相显微镜和扫描电镜观察锻件的组织，分析现行工艺和改进工艺对合金力学性能的影响。对比两种工艺锻件的组织性能，验证改进工艺的合理性和可行性。

 

2、 试验结果与分析 

 

2.1 原材料棒材组织   

 

     图1为Φ170mm×255mm料段端面的探伤结果，中心深色区域表示超声回波值最大区域，外周区域表示超声回波值最小区域， 两者之间的差值超过6dB，说明原材料心部和边缘处晶粒组织存在较大的级差。图2为实验用GH907合金棒材的晶粒组织。可以看出，原始棒材心部组织较细，边缘组织较粗，1/2半径处存在比较明显的混晶组织。

 

 

 

2.2 现行工艺锻件的组织 

 

     图3为现行工艺锻件超声波探伤的结果。锻件不同部位底波降低不同，表明锻件组织不均匀。按超声波探伤确定的位置，在80%底波、35%底波和30%底波处，从径轴向切取低倍试片，分析低倍组织；每片试片取上、中、下三处，分析横截面的晶粒组织。锻件的低倍组织未见冶金缺陷。图4为锻件的高倍组织。在80%底波( 图4(a)) 处组织均匀，晶粒度在ASTM4-5级左右；在35%底波(图4(b))和30%底波(图4(c))处，组织不均匀，存在明显的混晶现象。可见组织不均和局部粗大晶粒是锻件探伤出现异常的主要原因。

 

 

2.3 现行工艺锻件组织不均的原因分析   

 

     原材料的影响。原材料的组织具有一定的遗传性，棒材中的粗大组织如果不能在锻造过程中被充分破碎，会遗留在锻件中，并在后续的加热过程中进一步长大，最终引起锻件的组织局部粗大。   

 

     加热温度和次数的影响。文献综合国内低膨胀高温合金的研究进展，确定了GH907合金环形锻件的制造工艺参数：环坯锻造的加热温度(1040±10)℃， 开锻温度不低于1020℃，终锻温度不低于850℃。而现行工艺中的加热温度采用了1090℃，温度偏高；现行工艺中，冲孔单独安排一次加热，实际上如果采用适当的保温措施，镦粗后可以利用余热直接进行冲孔。加热温度越高，加热火次越多，锻件的晶粒越容易长大。    

 

     终锻温度的影响。自由锻是一个累积变形的过程，锤击次数多，持续时间长，现行工艺的锻造过程中没有采用保温措施，当受环境因素影响比较大时，锻件温降较大，不能保证终锻温度的要求时，也会出现组织不均匀。    

 

     锻件尺寸的影响。该锻件内孔尺寸偏小而壁厚较大，结构特点导致了锻件的径向变形量偏小，扩孔变形不充分，如果控制不当变形程度落入临界变形区，容易造成晶粒粗大。

 

2.4 工艺改进    

 

    下料尺寸。现行工艺中采用Φ170mm×255mm料段，高径比不足1.5，虽然保证镦粗过程中不出现双鼓，但高径比偏小，也导致变形量偏小。另一方面，钢锭由快锻机锻造而成，如果棒材直径较大，说明由钢锭到棒材的总变形量较小，可能导致棒材的晶粒组织比较粗大。在保证不出现双鼓形的情况下宜采用小规格棒料，以增加锻造变形量，提高锻件的组织均匀性。改进工艺中将下料尺寸改为Φ155mm×290mm。 

 

     加热温度。适当降低加热温度，将镦粗加热温度由1090℃降低到1050℃，将扩孔加热温度由1050℃降低到1030℃。     

 

    终锻温度。改进工艺采用软包套技术，即采用硅酸铝保温毡包覆荒坯，减缓锻件温度降低速度，保证终锻温度在900℃以上为宜，以避免粗大晶粒的产生。    

 

    加热火次。在采用软包套的保温措施后，利用镦粗后的余热，将冲孔安排在镦粗后直接进行，减少一次加热。    

 

     变形量。现行工艺中料段高255mm，一火镦粗至100mm，变形量约61%；改进工艺采用290mm，一火镦粗至100mm，变形量约65%；改进料段尺寸后，镦粗的变形量略有提高。现行工艺中冲孔直径准140mm，改进工艺直径冲孔采用准110mm；一火扩至设计尺寸，扩孔变形量由原来的25%提高到35%左右。

 

2.5 改进工艺的实验验证     

 

      图5(a)为超声波探伤显示图。由图可见，锻件不同部位的底波降低基本一致， 表明锻件组织较为均匀。图5(b)为改进工艺锻件的组织。由图可见晶粒尺寸大小均匀，未见明显的粗大晶粒，进一步说明改进工艺可以明显改善锻件的组织。

 

     表1为锻件的力学性能，两种工艺相比而言，无论是室温拉伸还是540℃拉伸， 改进工艺锻件的强度和塑性均有一定提高， 硬度相当。两种工艺的540℃/825MPa持久寿命分别达到169h和180h，均超过了标准要求， 缺口试样持久寿命大于光滑试样寿命，无缺口敏感性。

 

 

      综上所述，改进工艺采用软包套技术，保证了终锻温度，避免了粗大晶粒的产生。采用Φ155mm规格棒料成形，使得棒材组织均匀有一定改善，并在一定程度上增加了镦粗的变形量，得到的锻件组织均匀性得到明显改善，抗拉强度和塑性指标有一定提高，表明改进工艺是可行的。

 

3、 结论

 

     (1) GH907合金环形锻件超声波探伤超标是组织不均匀造成的，加热温度偏高、终锻变形量偏小、终锻温度偏低是导致锻件组织不均匀的主要原因，原材料的混晶组织会加剧锻件的组织不均。

 

     (2) 将镦粗加热温度降到1050℃，终锻变形量提高到35%左右，并采用软包套技术以保证终锻温度，锻件的组织均匀性得到明显改善，力学性能有一定提高。

来源：PLA 驻沈阳黎明发动机制造

关键词： 混晶组织 超声波检测 锻件