FGH4096合金盘件双组织热处理的数值模拟及试验验证

摘 要：对FGH4096合金盘件的双组织热处理进行了数值模拟和试验验证：数值模拟结果表明，通过选定合适的工艺参数，可实现盘件不同部位的温度梯度。在数值模拟的基础上，进行了盘件双重组织热处理，获得了轮缘部位为5-6级晶粒度，轮毂部位为10级晶粒度，辐板区域组织平缓过渡的双晶粒组织涡轮盘件。

关键词：FGH4096合金；双组织热处理；温度场；晶粒度

1 前言

涡轮盘是航空发动机的热端关键核心部件，在工作状态下，涡轮盘轮缘、辐板、轮毂部位的承受温度不同，受力水平各异。双组织/双性能涡轮盘是指沿着轮盘半径方向具有不同的组织，在不同温度下具有不同力学性能的涡轮盘件，即轮缘部位为粗晶组织，在高温下具有高的持久、蠕变强度和裂纹扩展抗力，轮毂部位为细晶组织，在较低温度下具有高的屈服强度和低周疲劳性能。双性能盘件符合涡轮盘的工况特点，可以充分发挥材料的潜力，有利于涡轮盘的优化设计，减轻盘体的重量，提高发动机的推重比。

通过对细晶组织的盘件进行热处理，分别在轮缘、辐板、轮毂部位获得不同的显微组织是制备双性能盘件的关键。目前，关于双组织热处理有很多的专利，其中双重组织热处理工艺(DualMicrostructure Heat Treatment,DMHT) 已经在实际中获得了应用。DMHT工艺是美国NASA GlennResearch Center所提出的工艺，在普通的热处理炉中即可进行双重组织热处理是DMHT工艺的最大优点，该工艺通过特定的工艺装备，建立起盘坯的轮缘到轮毂的温度梯度，在有限的时间内实现轮缘部位晶粒粗化，而轮毂部位晶粒仍然保持细晶的目的，最终得到双重晶粒组织。

FGH4096合金为损伤容限型粉末高温合金，该合金最高使用温度750℃，是制备先进航空发动机涡轮盘等关键热端转动部件的关键材料。本文以FGH4096合金为研究对象，采用数值模拟和试验结合的方法对盘件的双组织热处理工艺进行了研究，成功获得了轮缘部位为5-7级粗晶组织，轮毂部位10级细晶组织的双组织盘件，本文的研究工作对双性能盘件的制备具有重要的参考价值。

2 实验结果与分析

2.1 盘件双组织热处理原理

双组织热处理是制备双性能涡轮盘的关键，本文采用的双组织热处理原理如图1所示。在图1所示的原理图中，在锻造后的细晶盘坯的轮毂部位上下各放置1个金属蓄热块（也称为导热模块），同时在蓄热块外部包覆绝热套（耐火材料制成），然后将整个工装放入热处理炉中进行双组织热处理。在热处理过程中，在热处理炉高温辐射和对流作用下，盘坯的轮缘部位温度迅速升高，由于受到蓄热块和绝热包套的“保护”作用，轮毂部位的温度相对较低，这样就建立了从轮毂到轮缘的温度梯度。

2.2 双组织热处理中的温度场模拟

图2为FGH4096盘坯双重组织热处理的1/4平面几何模型，其中A、B、C点分别代表轮缘、辐板（过渡区域）、轮毂部位的温度检测点。

在双重组织热处理过程中，获得合理的温度场分布是关键。在本文的双组织热处理模型当中，影响温度场分布的主要因素有炉温、综合换热系数、保温时间、模型的尺寸等，在热处理炉功率和工件几何尺寸确定的前提下，影响盘坯中温度场分布的主要因素为炉温和时间。

FGH4096合金的γ’相完全溶解温度为1130-1140℃，为保证轮缘部位获得粗晶组织，轮缘部位的温度须不低于1140℃。

假设盘件初始温度为25℃，炉温始终保持在1170℃，热处理过程中的温度场变化如图3所示，其中，(a)与(b)图为保温10min后的工装温度场云图与盘件温度场云图；(c)图为温度监测点A、B、C三点温度随时间变化曲线，图中横坐标为时间(s)，纵坐标为温度(℃)。

由图3中可见，在炉温为1170℃时，随着保温时间的延长，整个工装的温度场存在明显差异，其中温度最高的为绝热包套外表面，在保温10min后，包套外部最高温度已经高达1169℃，和炉温几乎一致。温度最低部位为导热模块，在保温10min后，导热模块最低温度仅有398℃，最高温度不超过560℃。盘件不同部位的温度场存在显著差异，轮缘部位的温度最高，辐板次之，轮毂最低，轮缘部位温度增加速率要明显高于辐板和轮毂部位，在保温10min后，轮缘部位A点温度为1136℃，辐板B处温度为917℃，轮毂部位C点温度为650℃；随着保温时间延长，在保温45min后，轮缘部位A点温度为1167℃，辐板B处温度为1130℃，轮毂部位C点温度为1090℃。可见在热处理过程中，建立了从轮缘到轮毂部位的温度梯度分布。

实际上，在盘坯的双重组织热处理过程中，随着保温时间的延长，盘件上不同部位的温度是趋于一致的，当保温时间足够长时，盘件的温度会和炉温一致，也就是达到稳态。DMHT工艺的核心就是在一定的时间段内，轮缘部位晶粒组织充分长大，辐板部位的晶粒有限程度长大，轮毂部位晶粒组织不长大，仍然保持细晶组织，该时间段的控制对于DMHT工艺来说是至关重要。

2.3 盘件双组织热处理的试验验证

在数值模拟的基础上，进行了细晶盘件的双组织热处理，获得了双组织模拟盘件（Φ460mm），通过对盘件不同部位的显微组织分析表明，盘件具有显著的双组织特征。

图4为双性能盘的1/2盘件，剖面经过打磨并腐蚀，低倍腐蚀后的显微组织观察表明：轮缘和轮毂不同部位具有不同的颜色差异，这种颜色差异是轮缘与轮毂部位具有不同显微组织的反映。

对盘件不同部位切取的试样进行显微组织分析，其晶粒组织照片如图5所示。显而易见，盘件上不同部位获得了不同的晶粒组织，轮缘上获得了明显的粗晶组织，相当于晶粒度为5-6级，轮毂部位仍然保持细晶组织，相当于晶粒度为10-11级，辐板部位的晶粒度界于轮缘和轮毂之间。通过对整个端面上不同部位晶粒度评级结果表明，轮缘和轮毂部位之间的过渡区域晶粒组织过渡平缓，无明显分层现象，整个过渡区域晶粒组织没有明显突变。值得指出的是，通过对整个盘件的不同区域显微组织观察，未发现晶粒组织异常长大现象。

3 结论

(1)针对FGHG96合金盘坯，采用DMffI、热处理工艺是可行的，采用合适的热处理工艺参数可实现从轮缘到 轮毂部位的温度梯度分布。

(2)基于数值模拟试验结果，对FGH4096盘坯进行了双重组织热处理，获得了轮缘部位为5-6级晶粒度，轮毂部位保持为10级晶粒度，过渡区域组织平缓的双重晶粒组织涡轮盘件。