文/姚彦军，叶宁·陕西宏远航空锻造有限责任公司

叶片在航空发动机及燃气轮机中起能量转换的关键作用，叶片锻造技术的发展由普通模锻向半精锻(小余量)直至精锻(等温锻、叶身无余量锻造)等近净成形方向发展。随着“两机”专项及“十四五”规划的实施，航空发动机及燃气轮机的发展面临井喷发展的历史性机遇，而叶片在航空发动机及燃气轮机结构中因面临工况恶劣及批量较大等因素，叶片锻件的生产进度及交付质量面临着很大的难题。国外商用发动机已经开始大量采用精锻工艺生产叶片，国内具备成熟批量生产航空发动机及燃气轮机叶片锻件的厂家为数不多，国内锻造企业在传统叶片锻件生产工艺方面多数采用电液锤、空气锤进行制坯和模锻，不仅难以保证叶片锻件质量稳定性，而且极大地增加了贵重难变形合金材料的浪费。

针对GH4169 合金航空发动机及燃气轮机叶片锻件不同锻造工艺参数对其组织、性能及质量的影响，国内文献对该合金材料模拟有所报道，但对该合金叶片锻造实际应用研究偏少。与常规锻造相比，精锻工艺不仅能够有效减少贵重材料消耗浪费，同时可显著改善该合金叶片组织均匀性，与传统自由锻造相比，可明显提升GH4169 合金叶片批量生产质量稳定性。

本文以GH4169 合金叶片为研究对象，研究了不同锻造工艺及参数对GH4169 合金叶片锻件成形质量及组织均匀性的影响。为GH4169 合金航空发动机及燃气轮机叶片锻件生产提供技术保障。

试验方法及过程

原材料

原材料采用真空自耗电弧炉熔炼+电渣重熔两联工艺的规格为φ30mm 的GH4169 棒材，在棒材头部取试样分析化学成分，结果见表1，在棒材头部横截面取试样进行高低倍分析，高低倍组织见图1，晶粒度为8 级。将棒材切为4 段相同的长度，分别标记为1#、2#、3#、4#。

图1 棒材横向高低倍

表1 原材料化学成分/ wt%

锻造

使用2t 自由锻锤和1000t 电动螺旋压力机分别按不同工艺进行锻造。下料完成后，分别采用自由锻制坯+模锻工艺、(挤压+镦头+预锻)制坯+模锻工艺进行试制，具体为：

1#：1020℃×60min，2t 自由锻锤制坯+终模锻，均AC；

2#：1020 ℃×60min，1000t 电 动 螺旋压力机挤压+镦头+预锻1 火(欠压2mm)+终模锻，均AC；

3#：1020℃×60min，1000t 电动螺旋压力机挤压+镦头+预锻2 火(1 火欠压6mm,2 火欠压3mm)+终模锻，均AC；

4#：1020 ℃×60min，1000t 电 动 螺旋压力机挤压+镦头+预锻3 火(1 火欠压7mm,2 火欠压3mm，3 火欠压1mm)+终模锻，均AC。

热处理

对经过不同锻造工艺处理的4 个试样进行相同温度热处理，热处理制度为，固溶(960±10)℃，保温时间(60±6)min，氩气风机冷却(HS)至50℃以下出炉。

理化测试

对经过相同热处理工艺处理的5 个试样分别进行高低倍测试，取样图见图2。 对1#试样采用丙酮超声清洗去除表面污染物后采用日本Keyence VHX-600型超景深体式显微镜观察宏观形貌，利用荷兰Philips XL-30W/TMP 型扫描电镜观察组织形貌、断口微观形貌。

图2 理化取样图

试验结果及讨论

1#试样裂纹组织及分析

图3 为1#试样在1020 ℃自由锻锤制坯保温60min+1020℃保温60min 终模锻造工序+热处理+机械加工后，试样叶身叶尖部位的宏观照片。从图3中a、b 可以看出，1#试样采用2t 自由锻制坯+终模锻后叶身偏叶尖部位纵表面横向出现长条裂纹，裂纹位于图3a 红色圆圈内，裂纹总长约14mm，裂纹距叶尖高度约34mm，距1#试样叶片左排气边约12mm。对1#试样叶片沿裂纹长度中间方向横截面截断，图3b 为截断叶身横截面宏观图片，1#叶片试样采用丙酮超声清洗去除表面污染物利用荷兰Philips XL-30W/TMP 型扫描电镜观察试样断口形貌和组织形态，见图4、图5。

图3 1#试样宏观图片

图5 叶片缺陷横向显微组织形貌

图4 为1#叶片试样叶身叶尖横断面断口组织。从图4a 可以看出，试样裂纹处断口较为平整、洁净，无明显韧窝。低倍观察下试样断口表面出现方向性条纹，见图4b 方框示意。图4c、d 为高倍放大组织，从图可以看出，在断口条纹上出现了氧化薄花瓣状和氧化层组织。从宏观形貌可见，1#叶片裂纹处断口呈现氧化黑色或者浅褐色特征，说明1#试样裂纹形成后经历了高温加热过程，又根据试样裂纹断口表面出现的一定方向的条纹可以看出它是接触摩擦形成的磨痕，即裂纹是在剪切应力作用下形成的。

图4 叶片缺陷断口微观形貌

图5 为1#试样在1020 ℃自由锻锤制坯保温60min+1020℃保温60min 终模锻造工序+热处理+机械加工后，试样叶身叶尖部位的横截面低倍及扫描照片。从图中可以看出，1#试样采用2t 自由锻锤制坯+终模锻后叶尖横截面横向低倍出现45°贯穿裂纹，试样的高倍晶粒度级差明显，特别是裂纹附近晶粒度呈现阶梯式分布特征，裂纹附近晶粒度超过10 级，远离裂纹组织晶粒度约5 ～6 级，同时出现拉长亚晶组织。δ 相沿晶界连续分布，呈颗粒或短棒状。

从δ 相分布特征可以看出，1#试样终锻温度在合理区间。从裂纹呈现45°角度特征，可以猜测1#试样出现类似剪切裂纹，另外，裂纹附近晶粒度差异较大，裂纹附近晶粒度超过10 级，可以猜测1#试样的裂纹出现在大变形条件下的类似绝热剪切带特征。

图6 为在1020℃不同锻造工艺下，经过相同保温时间，1#～4#试样叶身叶尖部位的横向低倍组织。从图中可以看出，1#试样采用2t 自由锻制坯+终模锻后叶尖横截面横向低倍出现两条贯穿裂纹；2#试样采用电动螺旋压力机挤压+镦头+预锻1 火(欠压2mm)+终模锻后的叶尖横截面横向低倍靠近叶身中间出现一条亮线；3#试样为电动螺旋压力机挤压+镦头+预锻2 火(1 火欠压6mm，2 火欠压3mm)+终模锻叶尖横截面横向低倍；4#试样为电动螺旋压力机挤压+镦头+预锻3 火(1 火欠压7mm，2 火欠压3mm，3 火欠压1mm)+终模锻叶尖横截面横向低倍。可以看出，采用自由锻制坯的1#试样低倍出现明显贯穿裂纹，而采用电动螺旋压力机制坯的2#、3#、4#试样低倍均未出现贯穿裂纹。比较2#、3#、4#试样低倍形貌，随着预锻火次的增加及预锻每火次变形量的减小，叶尖横向低倍45°斜面亮线特征消失。

图6 叶尖横向低倍

高倍组织

图7 为1#试样叶身不同高度横截面高倍组织。从图中可以看出，随着1#试样取样不同高度的变化及叶身变形量的变化，高倍晶粒度呈现明显的差异。叶尖部位变形量超过85%，叶尖晶粒度超过10 级，且出现贯穿裂纹。1/2 叶身晶粒度呈现拉长亚晶特征，晶粒取向方向性明显。3/4 叶身横截面变形量接近40%～50%，晶粒度约7 ～8 级。可以看出随着叶身变形量及取样部位的变化，叶身横截面高倍组织均匀性比较差，晶粒度级差超过2 级。

图7 1#试样叶身不同部位横向高倍

图8 为2#试样叶身不同高度横截面高倍组织。从图中可以看出，随着2#试样取样不同高度的变化及叶身变形量的变化，高倍晶粒度差异减少。结合图6 中2#叶尖部位低倍及叶尖横截面高倍，可以看出，叶尖横截面低倍处亮线经高倍观察后，亮线处晶粒度小于正常区，且方向与低倍亮线一致。1/2 叶身及3/4 叶身横截面高倍组织晶粒度比较接近，但叶尖、1/2 叶身、3/4 叶身横截面高倍δ 相数量均明显减少。

图8 2#试样叶身不同部位横向高倍

图9 为3#试样叶身不同高度横截面高倍组织。叶尖横截面高倍出现倒Y 形细晶聚集区，叶尖晶粒度超过10 级。1/2、3/4 叶身横截面高倍晶粒度级差超过2 级，且动态再结晶比例小。

图9 3#试样叶身不同部位横向高倍

图10 为4#试样叶身不同高度横截面高倍组织。从图中可以看出，随着4#试样取样不同高度的变化及叶身变形量的变化，高倍晶粒度差异减小。叶尖、1/2 叶身、3/4 叶身横截面高倍晶粒度均为7 ～8 级。比较图10 与前述图7、图8、图9，可以看出4#试样高倍均匀性最好，且动态再结晶份数最高，同时含有少量沿晶界分布δ 相。

图10 4#试样叶身不同部位横向高倍

结论

⑴GH4169 合金涡轮叶片采用自由锻锤制坯+终模锻工艺易导致叶片出现锻造裂纹。

⑵GH4169 合金涡轮叶片晶粒度均匀性与锻造火次及变形量有关，随着锻造火次和变形量的合理分配，可以得到组织均匀的微观组织。

⑶采用1020℃×60min，1000t 电动螺旋压力机挤压+镦头+预锻3 火(1 火欠压7mm，2 火欠压3mm，3 火欠压1mm)+终模锻工艺参数生产的叶片为最佳工艺方案，可以实现GH4169 涡轮叶片锻件晶粒度级差两级以内的指标。