引言

航空设备用的支架、平衡配沉块和整流叶片等零件，组织机能要求较高，多选取高温合金、钛合金 等难变形材质的锻件。在研造阶段，为加快试验进度，降低工装成本，大多选取可能包涵整个零件概括的方体类锻件。自由锻步骤在锻锤上成形，是将棒料搁置于高低锤砧之间，使棒料轴线垂直于进攻方向，并通过拔长、镦粗、规方等工序最终获得切合尺寸、组织机能要求的合格锻件，拥有操作矫捷、工具单一 蹬着点。但同时必要把稳，方体类锻件的成形重要通 过拔长工序，属于部门加载、部门受力、部门变形的 情况。当坯料沿着轴向逐次送进拔长时，侧表表易产生鼓形，且坯料内部也容易存在变形不均匀。此表，该步骤受操作者技术水平影响较大，且每次变形的力度无法节造，锻件产品尺寸和公差颠簸大、出产效能低且锻件质量一致性差。尤其对于铸造温度窗口 较窄、变形抗力大且受温度敏感材质的方体类锻件，时时因心部交替受力、过程节造不当而出现废品[1-3]。由圆棒料成型方体类锻件的过程中，内部受力情况及易出现的缺点如图 1 所示。

GH4169 合金是一种 γ″相沉淀强化的 Ni-Cr-Fe基变形高温合金，650℃以下强度居高温合金之首，是目前综合机能最好的变形高温合金之一，在航空、航天领域中得到了宽泛利用[4-6]。同时，GH4169 合金又是一种典型的难变形资料，变形抗力大，热导率低，尤其是锻件的微观组织和力学机能对铸造热力参数和热加工汗青高度敏感[7-12]。因而选取自由锻步骤造备 GH4169 合金方体类锻件时必要合理的工艺设计和严格的过程节造才可能保障锻件质量。

环形件精密轧造技术，是借助辗环机（又称轧环机或扩孔机） 设备将环坯陆续咬入主辊与芯辊组成 的孔型，使其壁厚逐步减幼、直径逐步扩大、截面概括逐件成形的回转塑性加工技术，其道理示意图如图 2 所示。主辊为自动辊，作旋转活动；芯辊作径向直线进给活动，环件被咬入孔型后作旋转活动，同时带头芯辊被动旋转。抱辊起放心和不变轧造作用，锥辊作旋转活动，同时随着环件直径的增长而后退。当环件表径达到指标尺寸时，轧造过程实现。与自由锻工艺相比，环件轧造工艺拥有尺寸精度高、加工余量幼、内部组织均匀致密、晶粒藐幼和出产效能高蹬着点[13-15]。

此表，在航空设备用 GH4169 合金方体类构件的研造阶段，若选取通例铸造成形工艺，由圆到方成 形遵循肯定法规，故必要特定直径尺寸的棒料[16-17]。现实是往往存在短缺梦想尺寸棒料的情况，带来研 发成本高和资料利用率偏低等问题。因而，本文将环形件精密轧造技术与自由铸造技术相结合，构件成 形的重要变形过程由自动化水平较高的精密轧造阶段实现，而后按尺寸要求锯切出必要的弧段，将弧段加热后进行幼变形的铸造，最终整形成切合要求的 构件。该新工艺对构件所用棒材坯料的规格尺寸要求幼，适合新品研造阶段短缺梦想棒料的情况，在产 品研发中拥有沉要的现实意思。

1、试验资料与步骤

1.1 试验资料

尝试资料为国产直径 ?180mm 的 GH4169 合金锻棒，化学成分如表 1 所示，均匀晶粒尺寸领域在37.8μm，边缘晶粒细于心部，Ni3Nb（δ 相）2-3 级。要求最终构件机能如表 2 所示。

1.2 试验步骤

选取轧造工艺和弧段铸造工艺出产出尺寸合格的 GH4169 合金方体类锻件，按尺度造度进行固溶、时效热处置。固溶温度（950～980）℃×1h，720℃×8h→620℃×8h 进行两次时效，而后检测金相组织和力学机能。金相样品选取 Kalling’s 2 号试剂侵蚀后用正置金相显微镜观察微观组织，拉伸试验在 AG-50KN电子拉力试验机设备进行。

2、成形工艺路线规划

针对研造的 GH4169 合金指标方体类构件（见图 3 所示），尺寸规格为 130mm×50mm×45mm，凭据圆形棒料热加工成型方体类锻件时的金属流动法规，必要选取 ?60mm ～?80mm 直径规格的棒料，?70mm 规格较佳。现场短缺该规格的棒料，仅有直径?180mm 的 GH4169 合金棒料。选取大规格棒料成形幼尺寸的方体类锻件，通例步骤是对幼尺寸锻件进行联锻，而后锯切或线切割出单个锻件。联锻工艺是加热料段后在 3t 自由锻锤上进行铸造成形，首先平躺放料整体压扁后进行拔长，实现由圆到方，不休拔长不休建整后获得最终尺寸。而后选取锯切或线切割步骤进行堵截获得最终产品，联锻工艺切割示意图见图 4。拔长时存在幼变形区域，件与件之间、统一锻件分歧部位其质量一致性较差。并且宰割幼锻件时加工面积大，出产周期较长且切割成本较高。 

本文提出的大规格棒料成形幼尺寸方体类构件的工艺路线为环轧造坯+圆环堵截+铸造精整。加热料段后，首先在辗环机设备上轧造出一个精密的环形件，将环形件锯切出若干个弧段，而后加热弧段， 整形获得切合要求的最终产品；《沃旃ひ盏氖疽馔既缤 5 所示。

3、分析与会商

3.1 初始坯料分析

通例规划设计的联锻自由锻件，一锻件可作 12个零件。隐语宽度按 5mm 推算，联锻件最幼尺寸为265mm×145mm×105mm。依照 HB6587-92《锤上自由 锻件机械加工余量与尺寸公差》，查表公差 Δa=± 4mm，Δb=±5mm，思考高温合金资料成分，余量和公差增长 20%。则长度公差带为 12mm，另两个尺寸公差带为 10mm。按上差一半算料，不推算烧损，则必要下 料 金 属 料 段 为 ?180mm ×185mm， 沉 量 38.8kg（GH4169 合金密度为 8.24×103 kg/m3）。每个零件亏损 38.8kg/12=3.23kg。联锻锻件尺寸如图 6 所示。

弧段铸造工艺利用了环形件精密轧造技术，随着设备精度和过程节造能力的不休提高，?1000mm以下热轧环件公差可节造到环件直径尺寸的±3%，椭圆度不大于 2mm，并且环件组织均匀。将环件堵截出若干个弧段，加热后在锻压设备进行平坦成形，最终获得尺寸精度较高的产品，宽度和厚度尺寸公差能够节造到±2mm。

凭据由弧段到锻件的转化关系，首先推算所需弧段尺寸，而后推算出所需金属体积，如图 7 所示。

弧段高度 B1≈宽度 B，取上差 55mm；弧段壁厚 t≈高度 H，取上差 50mm； 凭据拔长前后金属体积相称道理，推算出弧段中径尺寸：

方块锻件金属体积：V1=B×H×L；

弧段金属体积：V2=B1×t×中径弧长⌒； 推算得出中径弧长∮字114mm；

弧长与半径的关系如下：⌒=R×2/n×π，一环件切 断出 16 个弧段，故 n=16； 推算得中径尺寸：R中 =114×8/3.14≈290mm；

环坯尺寸为：表径 D=2 ×R 中+t =2 ×290 +50 = 630mm，内径 d=2×R中 -t=2×290-50=530mm，高度 B1= 55mm。设计出环坯尺寸：?630-2 +4×?530-4 +2×55±2，公差带不超过 6mm，椭圆度不大于 2mm。所需环件沉量为 44.24kg，每个锻件亏损金属 44.24kg/16= 2.77kg。

相迸宗通例联锻工艺出产的自由锻件，弧段铸造工艺每件可节约（3.23-2.77）kg/3.23kg=14.2%的耗材。

3.2 整形过程的仿照仿真与分析

选取 UG7.5 软件建模上砧和下砧，设置为刚体，预热温度 150℃。坯料选取环坯（尺寸：?630-2 +4mm× ?530-4 +2mm×55±2mm）的 1/16 弧段，设置为塑性体， 加热温度 1000℃，资料来自 DEFORM 软件自带的资料库中的 IN718 合金。对坯料进行四面体网格划分，天生 59800 个单元体，最幼边长尺寸 1.14mm。为简化运算，上砧活动速度恒定，设定为 1000mm/sec，坯料和模具之间无光滑，设置摩擦系数 0.5，热传导系 数设为 5 N/sec/mm/℃[18-19]。上模向-Z 方向活动，节造上模和下模之间终场距离为 42mm，共运行 68 步，每步行程 0.2mm。而后 将变形后的坯料绕+Y 轴方向旋转 90°，经历进给量56mm 和 70mm 的两次拔长变形，节造上模和下模之间终场距离为 53mm。整个仿照过程的温度场、应变 场和 1/2 长度横截面的变形云图如图 8 所示。从仿照了局能够看出，大部门区域的停锻温度大于 910℃，GH4169 合金构件能够全数实现动态再结晶。横截面变形根基均匀，（εmax- εmin）/ε 均匀≈0.45，不存在严沉的变形死区和未锻透区域。

3.3 尝试试造

将工艺要求的料段搁置于电阻炉的有效加热区，加热至（1020±10）℃，保温一按功夫后镦粗、冲孔并轧造，按 ?630-2 +4mm×?530-4 +2mm×55±2mm 指标尺 寸造备环坯。实测三处的环坯高度尺寸（单元：mm）别离为 57、56.5 和 56.3，实测三处的壁厚尺寸（单元：mm）别离为 55、54.7 和 55.2，内孔 ?528mm～?530mm。均匀锯切弧段 16 份，将弧段加热至（1000±10）℃，保温一按功夫后在 3t 自由锻锤进行成形[20-22]。

选取 3t 电液锤进行拔长，因弧段两端头存在尖棱边，为预防折叠缺点的产生，铸造时将内圆弧面朝上，满压将弧段整平，而后逐次进给精整宽度和厚度尺寸；放骶馇泻妥钪斩图实物如图 9 所示。丈量产 品的宽度和高度尺寸，均满足尺寸要求，最大宽杜纂最幼宽度尺寸相差 4.2mm，最大高杜纂最幼高度尺 寸相差 2.2mm，见表 3。

3.4 成形构件微观组织和力学机能分析

查抄锻件内部门歧地位处的金相组织，见图10a～d 均匀晶粒尺寸别离为 9.4μm，5.6μm，7.9μm 和5.6μm？杉肴俳峋У南妇ё橹，组织均匀，均匀晶粒尺寸幼于 11.2μm。碳化物、碳-氮化物均未超过尺度图谱，且未见 Laves 相。沿锻件长度方向切取纵向力学试样（室温拉伸 2 支、高温瞬时拉伸 2支），力学机能检测了局见图 11 和图 12，室和善高温拉伸了局均高于尺度要求，强度指标富足 100MP～ 200MPa，室温断面收缩率 40%左右，高温断面收缩率靠近 60%。

联锻工艺的均匀晶粒尺寸 26.7μm，个别均匀晶 粒尺寸 63.5μm，晶内存在大量的孪晶，动态再结晶不齐全，Ni3Nb（δ 相）为 3 级。与弧段铸造工艺相比， 联锻工艺获得的组织粗壮且存在混晶。这与锻件尺 寸较大，从厚度和宽度方向进行拔长时，变形不均匀且锻透性差有关。

4、结论

（1）本文提供了一种大规格棒料成型幼尺寸方体类构件的步骤，即环轧造坯+圆环堵截+铸造精整。该工艺对棒材直径规格要求幼，尤其适合新品研发阶段原资料规格不完整、短缺幼规格棒料的景况。

（2）弧段铸造工艺的环坯公差 6mm、最终锻件产 品高度和宽度公差 4mm。与将联锻工艺的最大公差12mm 相比，尺寸精度得到提高，并且单件原资料亏损由 3.23kg 削减到 2.77kg，均匀每件节约 14.2%耗材，提高了资料利用率。

（3）弧段铸造工艺所出产的锻件组织均匀，为齐全再结晶的细晶组织，均匀晶粒尺寸幼于 11.2μm。其力学机能可满足尺度要求，指标了局富足 100~ 200MPa。

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