涡轮转子用GH4141高温合金锻造工艺研究

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1、第36卷第6期2010年12月火箭推进JOURNAl．OFROCKETPROPULSl0NV01．36．№．6Dee．2010涡轮转子用GH4141高温合金锻造工艺研究万金川，王海山，王伟光(西安航天动力研究所．陕西西安710100)摘要：针对承受高温、高速、高载荷的GH4141高温合金涡轮转子锻造工艺，从影响金属塑性的因素以及锻造对金属组织和性能的影响等方面，对原有锻造工艺进行了分析，指出了存在的缺点。改进后的锻造工艺很好地解决了原有工艺的缺点，可操作性强，批次稳定性好，产品合格率大幅提高，成本显著降低。关键词：高温合金；转子；锻

2、造工艺中图分类号：V434—34文献标识码：A文章编号：1672—9374(201o)06—0030—06ForgingtechniquesofsuperalloyGH4141forturborotorsWANJin-chuan，WANGHai—shan，WANGWei—guang(Xi’anAerospacePropulsionInstitute，Xi’all710100，China)Abmaet：TheinitialforgingtechniquesoftheturborotormadeofsuperalloyGH4141are

3、ana-lyzedtoobtainsomefactorsofinfluencingmalleability，metallicstructureandperformance．Thede—fectsarefoundandovercomesuccessfullywiththeimprovedfor#ngtechniques．Theproductshavehigheligibleratioandlowercost．Keywords：superalloy；rotor；forgingtechniques0引言液体火箭发动机涡轮转子工作环境一般比

4、较恶劣一温度高、转速高、气动冲击大等。某型液体火箭发动机工作时涡轮转速达30000rpm，涡轮腔燃气温度高达1123K。为了增加涡轮转子机械强度以及保证轮盘和转动轴连接简单、可靠，涡轮转子可采用一体化结构，即转子叶栅与轮盘一体，同时传动轴与轮盘一体。结构上就显得盘轴外径尺寸差异大，采用棒料直接机械加工不太现实，也不经济，一般采用整体锻造而成。因此涡轮转子的锻造工艺将是转子机械性能的关键因素，一旦机械性能不合格，就会出现叶片断裂、轮盘龟裂等故障，造成发动机不能正常工作，直收稿日期：2010—09—13；修回日期：2010一10—11基

5、金项目：国家航天技术支撑项目作者简介：万金川(1977一)，男，J：程师。研究领域为液体火箭发动机涡轮泵设计技术第36卷第6期万金川，等：涡轮转子用GH4141高温合金锻造t艺研究3l接导致发射任务失败。GH4141材料的本身特性决定了其锻造加工温度范围窄，变形抗力大，因此确定科学合理的锻造工艺，确保工作可靠，降低产品废品率，节省生产成本有着重要意义。1高温合金GH4141的化学成分和机械性能指标高温合金GH4141使用要求的机械性能指标见表1。表1GH4141合金力学性能Tab．1Mechanicalpropertiesofsup

6、eralloyGH41412锻造基本原理塑性材料南开始变形直至破坏分为三个阶段：弹性变形、塑性变形、破裂。弹性变形发生在变形的初期阶段，塑性变形是变形的第二阶段。当塑性变形达到极限状态时，金属的连续性和完整性被破坏，发生裂纹或断裂。锻造就是利用金属加热到高温所具有的塑性，使之变形到规定的形状而不产生破裂。金属的塑性变形微观上是晶体的塑性变形，晶体有单晶体和多晶体，通常使用的金属大都是多晶体，是由大量的形状、体积和晶格方位不同的晶粒所构成的晶体。各个晶粒间的晶界呈犬牙交错状态，每个晶粒内部的变形都在晶界上受到晶界杂质和相邻晶粒的阻碍，

7、变形抗力大。同样成分的金属，晶粒愈细，变形抗力愈大，强度亦愈高。同时，由于各个晶粒的晶格位向不同，塑性变形并不是在所有晶粒内同时和相同程度地发生着，而是首先在那些最有利于发生滑移的晶粒内发生，因而，晶粒越细塑性变形就越均匀地分布在更多的晶粒内，塑性越好，使金属能承受更大的整体变形而不会破裂。金属高温下发生塑性变形时，晶粒在滑移面附近发生晶格畸变和晶粒破碎，在高温下原子的扩散速度很大，原子排列首先趋向正常，这个过程为回复，回复只能消除品格畸变，不改变晶粒的形状和大小，也不能消除破碎的晶粒。随着原子活动能力进一步增强，破碎和变形的晶粒就

8、以碎晶块为核心成长为新的细小晶粒，这个过程称为再结晶。再结晶后晶粒得到细化，塑性改善，可继续进行锻造。一般随着锻造进行，金属温度快速降低，塑性随之变差，同时再结晶速率也会快速降低，此时如果继续使之发生变形，变形抗力增大，会出现破裂。可