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GH4169合金超大异形环件制造工艺研究

GH4169合金是以体心四方的γ″和面心立方的γ′相沉淀强化的

镍基高温合金，在-253~700℃范围内具有良好的综合性能，650℃

以下的屈服强度居变形高温合金之首，并具有良好的抗疲劳、

抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，以及良好的加工、焊接性能和

长期组织稳定性，能够制造各种形状复杂的零部件，可制成盘、

环、叶片、轴、紧固件和弹性元件、板材结构件、机匣等零部

件在航空上长期使用。该合金的另一特点是合金的组织对热加

工工艺特别敏感[1]。不同的加工工艺可获得不同性能的合金制

件，这为获得不同要求的零件提供了可能，也给成形工艺提出

了较高的要求[2]。

飞机发动机机匣类锻件，所用材料一般为GH4169等难变形合

金材料，且锻件较大、高度较高，受工艺水平和设备能力的限

制，传统的生产方法是将整个机匣分段制造后再焊接组装，不

仅浪费大量珍贵材料，增加机加工时，还破坏了锻件的完整性，

面临焊接变形和焊接处的性能下降等系列问题，影响航空发动

机的研制和生产。为摆脱上述不利情况，此次研制的机匣锻件

采用异形整体轧制技术，直接将整个机匣进行整体成型，不仅

节约大量材料，降低加工成本，最重要是不用分段生产再进行

焊接，提高了机匣的均匀性及整体性能水平。

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锻件情况

锻件材料为GH4169合金，该合金变形抗力大，流动性较差，

给锻件成形带来困难。另外，该合金对变形程度和变形温度较

敏感，控制不当容易造成锻件组织及性能不达标。

粗加工锻件外形尺寸见图1，锻件重量为4675kg。在此之前，

国内还未生产过重量接近5t的GH4169合金异形环件。

成形工艺分析

1技术难点

（1）该锻件需用棒材规格为φ750mm，在国内是首次使用如

此大规格的棒材生产锻件。大规格棒材的组织很难做到细小均

匀，需要后期的锻造给予充分的变形，使锻件的组织趋于均匀

细小。

（2）锻件为碗状异形环件，锻件斜度较大，其大头和小头尺

寸相差较大，内径大小头相差370mm，外径大小头相差350mm，

高度达765mm，成形困难。

（3）经研究分析，轧制碗状异形锻件，需要制备带锥度的异

形毛坯。异形毛坯的锻造难度较大，锻造时毛坯尺寸不易控制，

造成异形毛坯斜度与要求不符、圆角过大、壁厚差较大等问题，

而这些问题会对后期的轧制成形产生影响，导致锻件尺寸不合

格。所以，能否制出形状规整，壁厚均匀的异形毛坯是一个关

键。

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（4）为保证锻件组织性能满足要求，需保证锻件轧制时有足

够变形量，要准确计算异形毛坯的形状和尺寸，防止轧制时变

形不均或变形不足。

2成形方法分析

该机匣锻件为碗状异形环件，为保证锻件变形均匀一致，提高

锻件的综合性能，选择采用异形制坯加整体异形轧制成形技术。

使用整体异形轧制技术，不仅提高产品的尺寸精度，还能提高

锻件各部位变形的一致性，降低各部位间变形、温度、应力等

的差异。为了更准确地把握锻件在成形过程中温度及变形的情

况，采用计算机数值模拟技术对锻件成形过程进行分析，根据

模拟结果对工艺方案进行修正。

该锻件材料为GH4169合金，材料变形抗力大，对轧制设备吨

位要求较大。通过计算机数值模拟计算得出锻件制坯所需最大

压力约为5950t，轧制所需最大压力约为685t。根据计算模拟

结果，选择在6300t液压机上进行制坯，在

DK53K-700/600-4500/1000环轧机上进行整体异形轧制。

为保证轧制出理想的锻件形状及尺寸，其中一项关键因素是异

形毛坯的形状和尺寸设计是否合理。设计时，首先按一定变形

量反算异形毛坯的形状和尺寸，再用数值模拟验证所计算出的

异形毛坯是否满足轧制需要，根据模拟结果和实际生产能力修

正异形毛坯设计结果。

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在制备异形毛坯时，坯料冲孔后进行马架扩孔，制出带一定角

度的毛坯，再用冲头进行胀形，使毛坯斜度接近锻件斜度，并

圆整毛坯。制坯过程中需控制好毛坯的椭圆度及壁厚差，在生

产操作时加强过程控制。

锻件镦粗、冲孔的数值模拟结果见图2和图3。

从图2中可以看出，镦粗完成后鼓肚较小，心部温度最高，锻

件上下表面因与锤砧接触而迅速降温。因此在生产前工装需预

热至250~300℃，锻造过程中应尽可能减少转移时间，镦粗过程

中上下端面垫保温棉