1. 研究目的与意义（文献综述）

1、目的及意义（含国内外研究现状分析）

1.1、GH4169高温合金的结构成分及性能

高温合金是可在600℃以上高温和一定应力下长期工作的一类金属材料。高温合金不仅具有一定的高温强度、良好的抗氧化和耐腐蚀性能，而且具有良好的综合性能，如疲劳性能、断裂性能、塑性、组织稳定性等，与及高的纯洁度和可靠性。根据合金基本元素种类，高温合金可分为铁基、钴基、镍基合金；根据合金强化类型，高温合金可分为固溶强化和时效沉淀合金，不同的强化类型有着不同的热处理工艺；根据成形方式不同，高温合金可分为变形合金、铸造合金和粉末冶金合金。GH4169属于时效沉淀强化型镍基变形高温合金。

GH4169合金即镍基高温合金，是以体心四方的γ″和面心立方的γ′相沉淀强化的合金，在-253～700℃温度范围内具有良好的综合性能，650℃以下具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，以及良好的加工性能、焊接性能和长期组织稳定性，屈服强度居变性高温合金的首位。其成分结构主要如下：

表1-1 GH4169合金的主要成分

表1-2GH4169主要组成相的晶体结构及成分

通过研究，得出GH4169合金塑性变形的特点：

（1）塑性低。由于合金化程度高，因此工艺塑性低，另外，其工艺性对变形速度和应力状态很敏感。

（2）变形抗力大。由于GH4169合金成分复杂，再结晶温度高，在变形温度下具有较高的变形抗力及硬化倾向。变形抗力为普通结构钢的4~7倍，并且随着温度降低其硬化系数比普通钢高很多。

（3）加工温度范围窄。GH4169合金的再结晶温度是1020℃，而熔点温度是1219℃，因此热加工温度范围窄，温度控制较难，温度过高产生过热或者过烧等缺陷，温度过低产生裂纹或者混晶现象。

（4）没有相变和重结晶。镍基为面心立方体，没有同素异构转变，因此在加热过程中不产生多晶转变和相的重结晶，一旦形成粗大的组织后不能用相变重结晶的方法进行改善。

目前GH4169合金研究的难点、热点主要表现在以下四个方面：

（1）元素偏析

（2）对热加工极其敏感

（3）高强度要求

（4）组织稳定性

1.2、GH4169高温合金在航天航空的应用

因其性能好，资源不稀缺的特点，已经成为航空、航天、化工、石油领域的关键材料。随着GH4169能制成满足发动机不同应用要求的各类零件，在现代航空发动机制造工业中占着举足轻重的地位，比如在各类航天发动机中，GH4169高温合金占发动机总重的50%至60%。多达上千种零部件是由GH4169高温合金制造的。

航空航天工业的发展在很大程度上依赖于新材料的研究和开发，同时航空航天工业对材料的需求也推动着材料科学的发展。随着工业2025的提出，国家对航空航天工业的不断重视，特别是对航空航天发动机研发不断重视，对材料的研发及成形技术提出了更高的要求，随着发动机性能水平的提高，对发动机零部件的要求也越来越高，因此要求GH4169合金从成分到工艺、组织和性能等方面均要做出不同的改进和改善。而坯件晶体结构及性能的好坏，决定着成品件的最终性能及成品率。并且，GH4169高温合金价格较高，100万/吨，通过研究坯件制作工艺，在改善材料的晶粒大小及分布的同时，改善材料的加工性能，提高材料的利用率，节约生产成本。

1.3、GH4169高温合金的国内外研究现状

GH4169高温合金早期的应用研究归属于美国通用电气公司，长期以来，各国科技工作者对GH4169的研究投入了大量的精力，自1989年至2005年已由美国TMS协会举行了6次关于GH4169合金的国际研讨会。我国于20世纪70开始将GH4169合金使用于航空领域，从80年代开始了GH4169合金在航空领域的研究工作，采用了真空感应加真空电弧重熔的双真空冶金工艺，近年来又发展了真空感应加真空电弧重熔加真空自耗的三联工艺，同时采用了二阶高温扩散退火工艺，大大提高材料的均匀性。在合金变形工艺方面，相继开展了普通、高强和直接时效三种类型的锻件的工艺研究，并研讨了变形温度、变形量、变形速率、变形道次、冷却方式与及变形手段、润滑、包套等诸多因素对合金中各类相的析出数量、形态、分布和材料力学性能的影响。

1.4、环轧的应用及优点

随着科学技术的不断发展，传统的筒形件制造工艺流程为：粗镦切除水冒口——镦粗冲孔——芯轴拔长——芯轴扩孔——精锻成形，因其火次多、工序多、工艺流程长，而且钢锭利用率低、锻件形状尺寸偏差较大的缺陷逐渐被淘汰，继而采用环轧技术生产筒形件。

环件轧制具有以下优点：

（1）环件精度高、加工余量小、材料利用率高；

（2）环件内部质量好；

（3）设备吨位下、投资少、加工范围大；

（4）生产效率高；

（5）生产成本低

因此，将环件轧制加工工艺运用于GH4169高温合金的成形加工，可以有效地得到精密度高、力学性能好、成分均匀、加工余量少的环件，同时能提高材料的利用率，提高生产效率，节约生产成本。

1.5、环轧技术的国内外研究现状

精密辗轧技术的研究应用对于提高航空武器装备的性能水平和使用寿命具有重要意义。不少国内外学者提出从织构的角度研究热辗轧过程，分析轧后织构特征和晶粒取向，对组织及性能实现控制。韩国 Jone T Y 等通过计算机模拟 及 FEM 分 析，获得满足设计要求的大型Ti6Al4V 环件。Tiedemann I 等和 Li L 等研究轧制时材料的流动规律及充填质量指标，从而控制组织性能。Zhou S 等研究变形程度和环件初轧温度对钛合金环件热辗轧过程组织演变的影响。郭良刚等、Wang M 等及朱帅等通过建立热辗轧有限元模型，揭示了钛合金微观组织在成形过程中的演变特征。杨合课题组研究了 TC4 钛合金环件双向辗轧，采用有限元建模仿真方法，揭示了“上凸形”、“直线形”、 “下凹形”3 类轧制曲线对环件圆度及组织均匀性的影响规律，提出并设计一种 “S 形”轧制曲线，获得具有较高形状尺寸精度和良好组织均匀性的 TC4 钛合金环件。钛合金精密辗轧技术除了组织性能的控制研究非常重要外，通过对轧辊及导向辊的研究可以获得形状优良的环件; 同时，对毛坯截面形状的正确选择可以有效避免鱼尾和毛刺等缺陷。

目前，美、德、俄、英、法等国家均采用精确辗轧技术生产出高性能的压气机和涡轮机匣等精密环件，实现了环形件的无余量近净成形，大量节约了贵重的钛合金的消耗，而且大幅度减少了环形件的切削加工量和环形件流线的切断，提高了环形件性能，降低了生产成本。同时，工业发达国家大量装备了不同类型和规格的辗轧生产线，全世界范围内共有辗轧机 500 余台，辗轧生产线 100 余条，采用辗轧技术生产的环件直径达 Φ40 ～ Φ10000 mm，重量达 0. 2 ～ 8200 kg。国外辗轧机大多已实现数字化，径轴双向复合辗轧技术已成熟应用，并形成了典型材料变形特性数据库和典型环件辗轧工艺数据库。而国内大多为手动或半自动控制，仍沿用传统的单向辗轧工艺设计，多为常规矩形截面，平均材料利用率仅为 3% ～ 5% ，个别精化环形件也仅为15% 左右，冶金质量不稳定现象时有发生。

1.6、环轧毛坯研究的重要性

环件轧制工艺流程为下料-加热-制坯-轧制-后续处理，工艺流程中的各个工序、工步都要互相衔接、密切配合，才能使轧制生产平稳进行。而环件轧制毛坯对环件轧制成形的影响是决定性的，不合理的轧制毛坯是无法轧制成形合格的环件锻件的。环件轧制毛坯决定了体积的初始分配、轧制变形程度和金属流动状况，

而且环件径 － 轴向轧制涉及到直线进给运动、旋转轧制运动、导向运动以及环件自身的转动和直径扩大运动，而且轧制过程是动态变化的，使得控制环件轧制成形过程极为复杂，对轧制成形及控制工艺参数的设计要求严格。因此要严格控制环件毛坯的晶粒大小、破碎脆性共晶相、织构组织，保证轧制毛坯的孔的中心度和椭圆度及外形尺寸，防止因加工时间长，变形程度大，而产生折叠、粘辊、表面起皮、多边形等缺陷，导致轧制过程终止或者产品报废。因此GH4169高温合金环件精密制坯工艺使很有必要的。

2. 研究的基本内容与方案

1、研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

研究（设计）的基本内容为gh4169高温合金环件精密制坯工艺，目标是模拟制造出航空发动机中涡轮机机匣环件所轧制用的毛坯，保证环件生产过程的稳定性，使环件截面尺寸和圆度。拟采用的方案是：下料-多向锻压-反挤压-冲孔-马架扩孔：

2.1、下料尺寸计算及下料工艺

3. 研究计划与安排

１）第1－３周：明确研究内容，确定技术方案，并完成开题报告。

２）第3-5周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。

３）第6周：建立有限元模型。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]王祖唐.金属塑性成形理论.机械工业出版社.1989.北京

[2]汪大年.金属塑性成形原理.机械工业出版社.1986.北京

[3]崔忠圻.金属学与热处理原理.哈尔滨工业大学出版社.2004.哈尔滨