[发明专利]一种降低GH4096合金盘件残余应力的工艺

说明书

本申请提供了一种降低GH4096合金盘件残余应力的工艺，属于航空发动机用先进高温合金盘件技术领域，具体包括如下步骤：步骤1，GH4096合金铸锭下料及镦饼；步骤2，将GH4096合金饼坯机加工及饼坯加热；步骤3、等温模锻，采用热模锻工艺对GH4096合金锻件进行等温锻造；步骤4，对模锻完成的GH4096合金盘锻件进行热处理；步骤5，对经过步骤4的GH4096合金盘锻件进行的深冷处理；步骤6，对完成步骤5的GH4096合金盘锻件进行粗加工；步骤7，对粗加工完成的GH4096合金盘锻件采用梯度退火处理。通过本申请的处理方案，解决了现有技术中GH4096合金盘锻件残余应力导致的加工变形的问题。

技术领域

本申请涉及航空发动机用先进高温合金盘件制备的领域，尤其是涉及一种降低GH4096合金盘件残余应力的工艺。

背景技术

目前，我国生产的高温合金盘件在加工后普遍存在残余应力引起的异常变形而导致尺寸超差，对发动机的可靠性与使用安全带来很大隐患。美国目前制备的IN718合金盘锻件残余应力控制水平很高，盘件加工变形量很小。例如GE、Rolls-Royce等航空发动机公司建立了系统完善的高温合金盘件残余应力控制规范、检测方法等，但技术对外严格保密。残余应力是指在无外力或外力矩作用下金属制件自身保持平衡的弹性应力。残余应力对航空发动机用高温合金零件的影响主要包括以下4个方面：(1)缩短制件疲劳寿命。受力状态复杂的金属零部件(如盘件)受到压缩应力时，能够提高构件的疲劳强度，但是当残余应力为拉应力状态时，则降低构件的疲劳寿命；(2)导致零部件变形。残余应力会导致高温合金零部件尺寸变形。例如，机加工过程影响高温合金盘件自身原有的应力平衡状态，加上加工刀具在盘件表面产生拉应力和刀痕，引起应力集中，而应力集中使盘件表层的实际拉应力值进一步升高，表现为盘件尺寸变形，影响使用可靠性；(3)加速应力腐蚀。研究表明，应力和腐蚀是产生应力腐蚀的必要条件，拉应力加速应力腐蚀，因此残余拉应力会加速高温合金零部件应力腐蚀问题，这对海洋腐蚀环境中服役的航空发动机零件影响尤其显著；(4)降低零部件力学性能。残余应力对高温合金材料的屈服强度、塑性等产生影响。例如，高温合金材料中如果存在残余拉应力，等于提高了应力-应变曲线的坐标原点，也即相当于降低了材料的拉伸屈服极限。目前，残余应力是导致高温合金盘件尺寸变形的主要因素。

由于残余应力对航空发动机用盘件的性能具有重要影响。因此，残余应力的研究和控制受到了国内外工程技术人员的重视。为了减小残余应力对金属零部件的不良影响，目前常用处理方法有自然时效、人工时效和振动时效共3种。(1)自然时效。将锻件经半年或一年以上的长时间存放，使残余应力缓慢松弛。这种方法需要时间过长，且内应力消除不彻底，在高温合金零部件的生产中采用较少；(2)人工时效。将工件加热到一定温度后，经过较长时间保温，然后缓慢冷却。由于金属加热后的屈服极限大幅下降，残余应力超过屈服极限就出现局部的塑性变形，从而在缓慢冷却过程中得到充分松弛。退火效果与加热温度和保温时间有关，加热温度越高，去除残余应力越彻底，所需保温时间也越少；(3)振动时效。属于一种机械去除应力方法，该方法去除应力时通过一台激振器使工件在其共振频率附近做一定强度(附加动应力)的振动，利用动应力与残余应力叠加后的局部塑形变形而使内应力松弛和均匀化。以上三种方法中，人工时效降应力方法无高温固溶处理过程，其低温时效热处理无法彻底消除锻件中的残余应力；而振动时效缓解残余应力的方法在涡轮盘上的应用刚开展相关研究工作，并且高频振动过程对高温合金涡轮盘性能是否造成损害，需要经过研究证明，该工艺的适用性需要进一步验证。

GH4096合金是一种使用温度达到750℃的盘件用损伤容限型粉末高温合金，由于合金化程度高，GH4096合金盘锻件主要采用粉末冶金工艺制备，工艺流程长，生产成本高。