引言

航空裝備用的支架、平衡配重塊和整流葉片等零件，組織性能要求較高，多采用高溫合金、鈦合金等難 變形材質的鍛件。在研制階段，為加快試驗進度，降低工裝成本，大多采用能夠包容整個零件輪廓的方體類 鍛件。自由鍛方法在鍛錘上成形，是將棒料放置于上下錘砧之間，使棒料軸線垂直于打擊方向，并通過拔長 、鐓粗、規方等工序最終獲得符合尺寸、組織性能要求的合格鍛件，具有操作靈活、工具簡單等優點。但同 時需要注意，方體類鍛件的成形主要通過拔長工序，屬于局部加載、局部受力、局部變形的情況。當坯料沿 ε軸向逐次送進拔長時，側表面易產生鼓形，且坯料內部也容易存在變形不均勻。此外，該方法受操作者技 能水平影響較大，且每次變形的力度無法控制，鍛件產品尺寸和公差波動大、生產效率低且鍛件質量一致性 差。尤其對于鍛造溫度窗口較窄、變形抗力大且受溫度敏感材質的方體類鍛件，常常因心部交替受力、過程 控制不當而出現廢品[1-3]。

由圓棒料成型方體類鍛件的過程中，內部受力情況及易出現的缺陷如圖 1 所示。

GH4169合金是一種 γ"相沉淀強化的 Ni-Cr-Fe基變形高溫合金，650℃以下強度居高溫合金之首，是目 前綜合性能最好的變形高溫合金之一，在航空、航天領域中得到了廣泛應用[4-6]。同時，GH4169合金又是 一種典型的難變形材料，變形抗力大，熱導率低，尤其是鍛件的微觀組織和力學性能對鍛造熱力參數和熱加 工歷史高度敏感[7-12]。因此采用自由鍛方法制備GH4169合金方體類鍛件時需要合理的工藝設計和嚴格的過 程控制才能夠保證鍛件質量。

環形件精密軋制技術，是借助輾環機（又稱軋環機或擴孔機）設備將環坯連續咬入主輥與芯輥構成的孔 型，使其壁厚逐漸減小、直徑逐漸擴大、截面輪廓逐件成形的回轉塑性加工技術，其原理示意圖如圖 2 所 示。主輥為主動輥，作旋轉運動；芯輥作徑向直線進給運動，環件被咬入孔型后作旋轉運動，同時帶動芯輥 被動旋轉。抱輥起定心和穩定軋制作用，錐輥作旋轉運動，同時隨ε環件直徑的增長而后退。當環件外徑達 到目標尺寸時，軋制過程完成。與自由鍛工藝相比，環件軋制工藝具有尺寸精度高、加工余量小、內部組織 均勻致密、晶粒細小和生產效率高等優點[13-15]。

此外，在航空裝備用GH4169合金方體類構件的研制階段，若采用常規鍛造成形工藝，由圓到方成形遵循 一定規律，故需要特定直徑尺寸的棒料[16-17]。

現實是往往存在缺少理想尺寸棒料的情況，帶來研發成本高和材料利用率偏低等問題。因此，本文將環 形件精密軋制技術與自由鍛造技術相結合，構件成形的主要變形過程由自動化程度較高的精密軋制階段完成 ，然后按尺寸要求鋸切出需要的弧段，將弧段加熱后進行小變形的鍛造，最終整形成符合要求的構件。該新 工藝對構件所用棒材坯料的規格尺寸要求小，適合新品研制階段缺少理想棒料的情況，在產品研發中具有重 要的實際意義。

1、試驗材料與方法

1.1試驗材料

實驗材料為國產直徑 φ180mm 的GH4169合金鍛棒，化學成分如表 1 所示，平均晶粒尺寸范圍在37.8μ m，邊緣晶粒細于心部，Ni3Nb（δ相）2-3 級。要求最終構件性能如表 2 所示。

1.2試驗方法

采用軋制工藝和弧段鍛造工藝生產出尺寸合格的GH4169合金方體類鍛件，按標準制度進行固溶、時效熱 處理。固溶溫度（950~980）℃×1h，720℃×8h->620℃×8h 進行兩次時效，然后檢測金相組織和力學性能 。金相樣品采用 Kalling’s 2 號試劑腐蝕后用正置金相顯微鏡觀察微觀組織，拉伸試驗在 AG-50KN電子拉 力試驗機設備進行。

2、成形工藝路線規劃

針對研制的GH4169合金目標方體類構件 （見圖 3 所示），尺寸規格為130mm×50mm×45mm，根據圓形 棒料熱加工成型方體類鍛件時的金屬流動規律 ，需要采用φ60mm~φ80mm直徑規格的棒料，φ70mm規格較佳 。現場缺少該規格的棒料，僅有直徑φ180mm 的GH4169合金棒料。采用大規格棒料成形小尺寸的方體類鍛件 ，常規方法是對小尺寸鍛件進行聯鍛，然后鋸切或線切割出單個鍛件。聯鍛工藝是加熱料段后在 3t 自由鍛 錘上進行鍛造成形，首先平躺放料整體壓扁后進行拔長，實現由圓到方，不斷拔長不斷修整后獲得最終尺寸 。然后采用鋸切或線切割方法進行切斷獲得最終產品，聯鍛工藝切割示意圖見圖 4。拔長時存在小變形區域 ，件與件之間、同一鍛件不同部位其質量一致性較差。而且分割小鍛件時加工面積大，生產周期較長且切割 成本較高。

本文提出的大規格棒料成形小尺寸方體類構件的工藝路線為環軋制坯+圓環切斷+鍛造精整。加熱料段后 ，首先在輾環機設備上軋制出一個精密的環形件，將環形件鋸切出若干個弧段，然后加熱弧段，整形獲得符 合要求的最終產品。弧段鍛造工藝的示意圖如圖 5 所示。

3、分析與討論

3.1初始坯料分析

常規方案設計的聯鍛自由鍛件，一鍛件可作12個零件。切口寬度按 5mm 計算，聯鍛件最小尺寸為265mm ×145mm×105mm。按照 HB6587-92《錘上自由鍛件機械加工余量與尺寸公差》，查表公差△ a=±4mm，△ b= ±5mm，考慮高溫合金材料因素，余量和公差增加 20%。則長度公差帶為 12mm，另兩個尺寸公差帶為 10mm 。按上差一半算料，不計算燒損，則需要下料金屬料段為φ180mm×185mm， 重量38.8kg（GH4169合金密度 為 8.24×103 kg/m3）。每個零件消耗 38.8kg/12=3.23kg。聯鍛鍛件尺寸如圖 6 所示。

弧段鍛造工藝應用了環形件精密軋制技術，隨ε設備精度和過程控制能力的不斷提高，φ1000mm以下熱 軋環件公差可控制到環件直徑尺寸的±3%，橢圓度不大于2mm，并且環件組織均勻。將環件切斷出若干個弧 段，加熱后在鍛壓設備進行平整成形，最終獲得尺寸精度較高的產品，寬度和厚度尺寸公差可以控制到 ±2mm。

根據由弧段到鍛件的轉化關系，首先計算所需弧段尺寸，然后計算出所需金屬體積，如圖 7 所示。

弧段高度 B1≈寬度 B，取上差 55mm；弧段壁厚 t≈高度 H，取上差 50mm；根據拔長前后金屬體積相 等原理，計算出弧段中徑尺寸：

方塊鍛件金屬體積：V1=B×H×L；

弧段金屬體積：V2=B₁×t×中徑弧長⌒；

計算得出中徑弧長⌒≈114mm；

弧長與半徑的關系如下：⌒=R×2/n×π，一環件切

斷出 16 個弧段，故 n=16；

計算得中徑尺寸：R 中=114×8/3.14≈290mm；

環坯尺寸為 ： 外徑D =2 ×R _中+t =2 ×290 +50 =630mm，內徑 d=2×R _中-t=2×290-50=530mm，高 度 B1=55mm。設計出環坯尺寸：φ630-2+4 ×φ530-4 +2 ×55±2，公差帶不超過 6mm，橢圓度不大于 2mm。所需環件重量為 44.24kg，每個鍛件消耗金屬 44.24kg/16= 2.77kg。

相比于常規聯鍛工藝生產的自由鍛件，弧段鍛造工藝每件可節約（3.23-2.77）kg/3.23kg=14.2%的耗材 。

3.2整形過程的模擬仿真與分析

采用 UG7.5 軟件建模上砧和下砧，設置為剛體，預熱溫度 150℃。坯料采用環坯 （尺寸：φ630⁺⁴_-2 mm×φ530^-2₊₄mm×55±2mm）的 1/16 弧段，設置為塑性體，加熱溫度 1000℃，材料來自 DEFORM 軟件自 帶的材料庫中的 IN718 合金。對坯料進行四面體網格劃分，生成 59800 個單元體，最小邊長尺寸 1.14mm 。為簡化運算，上砧運動速度恒定，設定為 1000mm/sec，坯料和模具之間無潤滑，設置摩擦系數 0.5，熱 傳導系數設為 5 N/sec/mm/℃[18-19]。

上模向-Z 方向運動，控制上模和下模之間停止距離為 42mm，共運行 68 步，每步行程 0.2mm。然后將 變形后的坯料繞+Y 軸方向旋轉 90°，經歷進給量56mm 和 70mm 的兩次拔長變形，控制上模和下模之間停 止距離為 53mm。整個模擬過程的溫度場、應變場和 1/2 長度橫截面的變形云圖如圖 8 所示。從模擬結果 可以看出，大部分區域的停鍛溫度大于 910℃，GH4169合金構件可以全部完成動態再結晶。橫截面變形基本 均勻，（ε_max- ε_min）/ε 平均≈0.45，不存在嚴重的變形死區和未鍛透區域。

3.3實驗試制

將工藝要求的料段放置于電阻爐的有效加熱區，加熱至（1020±10）℃，保溫一定時間后鐓粗、沖孔并 軋制，按 φ630⁺⁴_-2 mm×φ530-4+2 mm×55±2mm 目標尺寸制備環坯。實測三處的環坯高度尺寸（單位： mm）分別為 57、56.5 和 56.3，實測三處的壁厚尺寸（單位：mm）分別為 55、54.7 和 55.2，內孔 φ528mm~φ530mm。

均勻鋸切弧段 16 份，將弧段加熱至（1000±10）℃，保溫一定時間后在 3t 自由鍛錘進行成形[20- 22]。

采用 3t 電液錘進行拔長，因弧段兩端頭存在尖棱邊，為防止折疊缺陷的產生，鍛造時將內圓弧面朝上 ，滿壓將弧段整平，然后逐次進給精整寬度和厚度尺寸。環坯鋸切和最終鍛件實物如圖 9 所示。測量產品 的寬度和高度尺寸，均滿足尺寸要求，最大寬度與最小寬度尺寸相差 4.2mm，最大高度與最小高度尺寸相差 2.2mm，見表 3。

3.4成形構件微觀組織和力學性能分析

檢查鍛件內部不同位置處的金相組織，見圖10a~d 平均晶粒尺寸分別為 9.4μm，5.6μm，7.9μm 和 5.6μm。可見均為完全再結晶的細晶組織，組織均勻，平均晶粒尺寸小于 11.2μm。碳化物、碳-氮化物均 未超過標準圖譜，且未見 Laves 相。沿鍛件長度方向切取縱向力學試樣 （室溫拉伸 2 支、高溫瞬時拉伸 2支），力學性能檢測結果見圖 11 和圖 12，室溫和高溫拉伸結果均高于標準要求，強度指標富裕 100MP~200MPa，室溫斷面收縮率 40%左右，高溫斷面收縮率接近 60%。

聯鍛工藝的平均晶粒尺寸 26.7μm，個別平均晶粒尺寸 63.5μm，晶內存在大量的孿晶，動態再結晶不 完全，Ni3Nb（δ相）為 3 級。與弧段鍛造工藝相比，聯鍛工藝獲得的組織粗大且存在混晶。這與鍛件尺寸 較大，從厚度和寬度方向進行拔長時，變形不均勻且鍛透性差有關。

4、結論

（1）本文提供了一種大規格棒料成型小尺寸方體類構件的方法，即環軋制坯+圓環切斷+鍛造精整。該 工藝對棒材直徑規格要求小，尤其適合新品研發階段原材料規格不完備、缺少小規格棒料的境況。

（2）弧段鍛造工藝的環坯公差 6mm、最終鍛件產品高度和寬度公差 4mm。與將聯鍛工藝的最大公差 12mm 相比，尺寸精度得到提高，并且單件原材料消耗由 3.23kg 減少到 2.77kg，平均每件節約 14.2%耗材 ，提高了材料利用率。

（3）弧段鍛造工藝所生產的鍛件組織均勻，為完全再結晶的細晶組織，平均晶粒尺寸小于 11.2μm。 其力學性能可滿足標準要求，指標結果富裕 100~200MPa。

參考文獻：

[1]中國機械工程學會塑性工程分會. 鍛壓手冊[M].第 1 卷鍛造. 第3 版修訂本援北京：機械工業出版 社，2013：122-134.

Plastic Engineering Branch of the Chinese Society of Mechani-calEngineering Forging Handbook Volume 1 Forging[M].Revision 3. Beijing : China Machine Press ,2013：122-134.

[2]呂炎，等援鍛壓成形理論與工藝[M]援第一版. 北京：機械工業出版社，1991：132-143.

LV Yan, et al. Forging Forming Theory and Technology[M].1stEdition.Beijing: China Machine Press ,1991：132-143.

[3]閆洪. 鍛造工藝與模具設計[M]. 北京：機械工業出版社，2011:50-60.

YAN Hong. Forging Technology and Mold Design [M].Beijing:China Machine Press ,2011: 50-60.

[4]中國航空材料手冊編輯委員會. 中國航空材料手冊[M].第 2 卷變形高溫合金鑄造高溫合金援第 2 版援北京：中國標準出版社，2002.

Editorial Committee of China Aeronautical Materials Handbook.China aeronautical materials handbook, Volume 2: Deformationsuperalloys & casting superalloys [M].2nd Edition. Beijing: Chi-na Standards Press ,2002.

[5]莊景云，杜金輝，鄧群，等援變形高溫合金 GH4169[M]援第 1 版援北京：冶金工業出版社，2006.

ZHUANG Jingyun, DU Jinhui, DENG Qun, et al. Wrought su-peralloyGH4169[M].1st Edition Beijing: Metallurgical IndustryPress ,2006.

[6]齊歡. INCONEL 718(GH4169）高溫合金的發展與工藝[J]. 材料工程，2012, (8):92-100.

QI Huan. Review of INCONEL 718 alloy: Its history, properties,processing and developing substitutes[J].Journal of Materials En-gineering,2012，(8):92-100.

[7]王建國援GH4169合金鍛件組織形成機制與熱加工工藝窗口[D].西安：西北工業大學，2018.

WANG Jianguo. Microstructure formation mechanisms and hot processing windows ofGH4169alloy forgings [D]. XianNorth-western Polytechnical University, 2018.

[8］ 李志強，張寧，王寶雨，等.GH4169合金熱變形微觀組織演變模型[J]. 塑性工程學報，2014, 21 （5）:100-103.

LI Zhiqiang, ZHANG Ning, WANG Baoyu, et al. Microstruc-ture model ofGH4169alloy during hot forming [J].Journalof Plasticity Engineering, 2014,21（5）:100-103.

[9］ 姚彥軍，葉寧. 鍛造參數對GH4169葉片成形及組織的影響[J]. 鍛造與沖壓, 2022,（23）:30-38.

YAO Yanjun, YE Ning. The Effect of Forging Parameters on the Forming and Microstructure of GH4169Blades [J]. Forging & Stamping, 2022,（23）:30-38.

[10］ 王建國，汪波，劉東，等援GH4169合金加熱過程中 δ相形態和晶粒尺寸的演化規律 [J]援 熱加 工工藝，2013, 42 (24):114-116,120.

WANG Jianguo, WANG Bo, LIU Dong, et al. Evolution of δ-phase morphology and grain size in GH4169alloy during pre-heating[J]. HotWorking Technology, 2013,42(24):114-116,120.

[11］ 劉公雨援GH4169合金熱變形工藝優化及微觀組織模擬 [D]. 沈陽：東北大學，2015.

LIU Gongyu. Optimization of hot deforming process and simu原 lation of microstructure for GH4169alloy [D]. Shenyang:North- eastern University,2015.

[12］ 許磊，雷旭升.GH4169高溫合金材料的力學性能實驗研究[J]. 機械制造,2021:32-34

XU Lei , LEI Xusheng. Experimental study on mechanical properties ofGH4169superalloy [J]. Machinery,2021:32-34.

[13]華林，黃興高，朱春東援環件軋制理論和技術[M]援第一版. 北京：機械工業出版社，2001.

HUA Lin. HUANG Xinggao, ZHU Chundong. Theory and technology of ring rolling [M].1st Edition.Beijing: China Ma-chine Press ,2001.

[14]王濤. 徑-軸向輾環軸向軋制力能參數研究[D]. 濟南：濟南大學，2015.

WANG Tao. Study on axial force and axial torque in radial-axial ring rolling process [D].Jinan University of Jinan,2015.

[15]孫琦昊. 異形環鍛件的鍛造工藝及模具優化設計 [D]. 鎮江：江蘇大學，2012.

SUN Qihao. Forging process and die optimization design of special ring forgings [D]. Zhenjiang: Jiangxu University, 2012.

[16］ 洪慎章，李名堯. 鍛造實用數據速查手冊[M].第 1 版. 北京：機械工業出版社，2007: 116- 117.

HONG Shenzhang, LI Mingyao. Quick Reference Manual for Practical Forging Data [M]. 1st Edition.Beijing: China Machine Press，2007: 116-117.

[17］ 王德擁，王迪. 關于鍛造展寬的計算 [J]. 金屬加工, 2010,（7）: 51-54.

WANG Deyong, WANG Di. Calculation of Forging Broadening [J]. Metal Forming, 2010,（7）: 51-54.

[18]陳文，崔振山. 拔長過程有限元模擬的新方法[J]. 機械工程學報, 2010, 46（10）：40-46.

CHEN Wen, CUI Zhenshan. New method for finite element simulation of stretch forming [J]. Journal of Mechanical Engi-neering, 2010,46（10）:40-46.

[19]胡建軍, 李小平. DEFORM-3D 塑性成形 CAE 應用教程 [M].北京：北京大學出版社，2011.

HU Jianjun, LI Xiaoping. DEFORM-3DApplication Tutorial of Plastic Forming CAE[M].Beijing: Peking University Press, 2011.

[20］ 黃海.GH4169晶粒長大機理及在熱成形加熱過程中的應用[D]. 武漢：武漢理工大學, 2020.

HUANG Hai. Research onGH4169grain growth mechanism and its application in heating process of hot forging[D].Wuhan:Wuhan University of Technology, 2020.

[21］ 王清，羅鴻飛，佟健,等. 2m 級大尺寸高溫合金機匣精密成形工藝研究[J]. 精密成形工程, 2021, 13（1）: 121-126.

WANG Qing, LUO Hongfei, TONG Jian, et al. Precision form-ing technology for superalloy casing with 2- meter diameter[J].Journal of Netshape Forming Engineering, 2021,13（1）:121- 126.

[22］ 葉俊青，鄒善垚，李明，等.GH4169合金環件精密軋制[J]. 兵器裝備工程學報, 2018, 39 (3):165-168,186.

YE Junqing, ZOU Shanyao, LI Ming, et al. Precision rolling ofGH4169profiled ring forgings [J]. Journal of Ordnance Equip-ment Engineering,2018（3）:165-168,186.

相關鏈接