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高温合金涡轮盘的热加工
涡轮盘是航空发动机和燃气轮机中连接涡轮叶片和涡轮轴，带动压气机高速旋转的重要部件。在发动机运转中，涡轮盘受力情况复杂，容易出现故障，对于航空发动机甚至可能造成机毁人亡。因此，有些国家把涡轮盘列为航空发动机中唯一由政府控制的零件，由政府发给证明规定使用寿命[1]。
正是由于涡轮盘是航空发动机和燃气轮机的关键零件，因此对涡轮盘材料的要求十分严格，综合性能必需良好，特别是低周疲劳性能和抗裂纹扩展性能必需优异，这就为涡轮盘的生产，尤其是涡轮盘的热加工提出了愈来愈高要求。因此，涡轮盘的热加工就不仅仅只是为了满足成形的要求，而且必须同时为保证优异的综合性能提供合适的组织结构。
本篇文章将以航空发动机用涡轮盘合金GH2135和燃气轮机用涡轮盘合金GH4698和GH4742为例，重点介绍涡轮盘的热加工工艺。
27.1 航空发动机涡轮盘的热加工
航空发动机用涡轮盘的工作环境，包括工作应力和温度，较工业用燃气轮机要苛刻，即受力大，温度高。同时，涡轮盘尺寸一般较小，可以用较小吨位的热加工设备进行生产。但使用寿命远没有燃气轮机长。GH2135合金用作涡喷六发动机原型和改型涡轮盘，共生产了1000多台，其中原型机788台，改型机287台[2]。涡轮盘的生产工艺路线包括合金锭的冶炼浇铸、开坯、镦饼和模锻等步骤。下面将重点介绍GH2135合金的热加工工艺。
首先是合金的开坯。GH2135合金在我国的特殊钢厂进行了多批量的生产，不同厂家采取的生产工艺路线也有所不同。合金锭的生产主要采用电弧炉加电渣或自耗重熔的方式，锭的截面尺寸有多种，如360毫米圆锭、406毫米圆锭、425毫米方锭和550毫米方锭，重量在800至2500公斤左右。根据锭的尺寸不同，开坯可以在3吨锤或1250吨水压机上进行。加热可以使用重油或煤气灶式炉进行。
在锻锤开坯过程中，需要严格控制加热制度和锻造温度。根据实际情况，合适的加热制度和锻造温度如下表所示：
锤吨位 锭型 装炉温度 升温时间 加热温度 保温时间 开锻温度 终锻温度3 360 ≤700 9 1120 3 ≥1000 ≥9005 406 ≤700 14 1120 1 ≥1000 ≥900
在开坯锻造过程中，首次火变形量应控制在25%左右，锤击力度不宜过重。特别是在用大锤锻造小件时，要格外小心，以避免出现中心温度超过1140℃而引起中心网状裂纹的情况。经验表明，保持锻件表面温度在1000～1020℃左右是适宜的，当表面温度回升至1050℃以上时，可能会出现问题。此外，低于900℃以下的温度，再试图用大变形量使温度回升，也容易产生内裂纹。因此，温度的严格控制是首要的，其次是控制打击量和锻造速度，以保持表面温度在1000℃左右。
在开坯过程中，加热温度不宜过高。如果一次性加热至1140～1150℃，可能会导致锻造部位出现中心裂纹和“破肚子”现象。在这种情况下，需要将此部分切除后，重新加热至1120℃进行锻造，才能得到较好的结果。此外，开坯后出现棱角时，在开坯过程中，出现棱角时，需要进行修整，以保证坯料的形状和尺寸符合要求。
完成开坯后，接下来是镦饼和模锻。镦饼是将开坯后的坯料进行镦饼加工，使其形成一定的形状和尺寸，为后续的模锻提供基础。镦饼的加工过程中，需要注意保持适当的温度，并严格控制镦饼的尺寸和形状，以确保后续的模锻能够顺利进行。
模锻是将镦饼进行进一步加工，通过模具的挤压和变形，使其形成涡轮盘的最终形状。模锻的过程中，需要选择合适的模具和适当的温度，以获得理想的成形效果。同时，还需要注意控制锻造速度和力度，以避免材料的过度变形和损伤。
在模锻完成后，还需要进行热处理，以调整材料的组织结构和性能。热处理的过程中，需要控制合适的温度和保温时间，以实现材料的回火、固溶和时效等处理，以提高材料的强度、硬度和耐热性能。
最后，涡轮盘还需要进行机械加工和表面处理，以满足其精度和表面质量的要求。机械加工包括车削、铣削、钻孔等操作，而表面处理可以采用抛光、喷砂、电镀等方法，以提高涡轮盘的外观和耐腐蚀性能。
总之，航空发动机涡轮盘的热加工是一个复杂的过程，需要严格控制各个环节的工艺参数，以获得合适的组织结构和性能。只有通过科学的工艺设计和严格的质量控制，才能生产出符合要求的涡轮盘，确保航空发动机的安全可靠运行。
