69111、GH4169材料的研究与应用

2022-09-10

1 材料及零件的结构特点

1.1 材料特点

69111材料系半奥氏体型沉淀硬化不锈钢, 它具有耐腐蚀性能好, 中高温强度高, 它的抗拉强度δb≥1570MPa, 延伸率大于3%, 其高强度, 长寿命及强大外力作用下不发生变形的特性, 是一般不锈钢材料无法替代的。 (材料性能见表1)

GH4169高温合金材料强度高, 热强性好, 加工时塑性变形抗力大, 切削加工性很差, 切削力较大, 刀具磨损较快, 所以在飞机零件中高温合金多数为钣金焊接件。这类零件的特点是零件外形复杂, 表面质量要求高, 大多有气密性要求。因此, 对高温合金材料焊接工艺的研究和掌握是非常重要的。

由表1可以看出:其他不锈钢材料与69111和GH4169在抗拉强度指标上无法相比, 但两种材料的延伸率较低, 也给零件成形带来很大困难。

1.2 零件结构特点

根据零件的形状特性, 按切面样板进行比较分析, 可将零件分为三种类型:内接小R弯曲、内外接双R弯曲、大圆弧变R弯曲。材料的设计状态为:冷作硬化 (Y) 状态。典型图见图1。

大圆弧变R类零件安装在机翼前缘, 内接小R和内外接双R类零件安装在前缘襟翼上下的翼面上, 随襟翼的转动而在机翼上移动。

2 技术难点

外形蒙皮零件, 与气流相接触, 其表面的粗糙度和形状的准确度直接影响飞机的飞行操控性能和机动性能, 因此, 蒙皮零件的制造质量尤为关键。该材料在冷作硬化状态下, 强度高、塑性低、回弹特大。采用一般手工校形, 对材料不起丝毫校正作用, 加大校形力, 材料表面又会出现工具痕迹, 是材料硬化。沉淀硬化不锈钢通过时效沉淀进行硬化, 不能采用局部加温成形的工艺方法, 否则材料硬化变形大, 难以控制, 无法校形。

高温合金的焊接接头的突出问题有:几何上的不连续性 (引起应力集中) 、力学性能上的不均匀性 (可能存在脆化区、软化区、各种劣质区) 、焊接变形与残余应力的存在等, 且焊接件的强度为原材料强度的80%, 每补焊一次强度损失15%。

3 工艺方法分析和探讨

3.1 成形工艺方案

采用直径为φ80和φ35的辊轴中心距进行滚弯, 发现材料没有丝毫的变化。由于原材料软化有利于零件的成形, 因此, 采用热处理固溶方式:将材料加热到1050℃～1070℃, 然后在空气中快冷。为了减小固溶处理所带来的原材料变形大问题, 自制了固溶处理夹具, 以控制原材料变形量。固溶后仍存在的变形, 可采用手工校形来处理。

经过反复试验, 摸索出了该材料的性能特点, 以确定合理回弹量。通过实验, 得出R与K的关系曲线, 作为设计成形模 (凸模) 圆角半径r的依据, 是该材料零件工艺成形的关键。

对于各类蒙皮零件, 选用成形方法主要的依据是零件形状。工艺成形的主要方法有:滚弯成形和拉伸成形, 对于曲率半径较小的蒙皮零件, 采用压弯成形和闸压成形。

根据以上分析, 某型飞机采用的69111材料蒙皮, 其曲率半径最小的为15, 最大的为72, 以下是按切面形状的分类探讨分析其成形工艺。

制一简易工装 (见图2) , 经试验不断修改自制工装圆棒直径φ的大小, 此时圆棒作为闸压刀, 相当于凸模。在R30处用φ48圆棒, 在R15处用φ20圆棒, 在手动液压机上分别成形该零件两处R, 不需要手工校正, 能满足图纸要求。可选用闸压成形方法。

对于大圆弧变R弯曲的零件, 可选用压弯成形。δ0.8材料冷作硬化 (Y) 状态, 切内样板如图3, 用此工装成形如图4, 观察R45处的成形弧度情况:当材料状态是冷硬 (Y) 状态时, 零件成形曲率无变化;当材料状态是固溶 (R) 状态时, 零件在此处成形弧度R51。

根据以上数据, 决定订制原材料为固溶 (R) 状态的材料, 零件成形后进行冷处理:-73℃±6℃, 保温48小时, 在进行时效:520℃±10℃, 保温12小时空冷, 同样能达到设计技术状态冷作硬化 (Y) 的强度σb=1570MPa。

3.2 成形工装的设计方案

利用自制工装, 摸索回弹量参数来订制工装, 既能缩短生产周期, 又能提高经济效益。检验工装 (凹模) 按外形和切外样板设计和制造, 并分别刻出零件外形线, 打上标记作为零件交付状态的检验依据。

3.3 高温合金的焊接技术

母材选用的是G H 4 1 6 9、焊接选用HGH4169-Φ1.0焊条, 采用99.99%的纯氩气作保护气体。采用铈钨丝, 钨丝端头形状的选择要根据焊件溶透程度和焊缝成形的要求来决定。当钨极端头直径越小, 电弧伞行倾向越大, 端头烧损也越严重, 焊缝不均匀;随着钨极端头直径的增大, 则电弧柱状倾向变大, 电弧集中稳定, 焊缝成形良好。但钨极端头直径增大到一定数值后, 反而引起电弧的飘动不稳, 造成焊缝不均匀。经过大量的实践, 将钨极端部磨成平头锥体, 平头直径约为1/3钨极直径。焊前彻底清理待焊处表面及焊丝表面上的氧化物、油污及外来物是获得良好焊接性能的重要措施之一, 对于高温合金尤为重要, 油污采用溶剂和蒸汽法清除, 氧化物可采用机械法和化学法清除, 然后用白细纱布沾丙酮将零件擦拭干净。焊接前, 为了固定焊件的位置和防止焊件的变形, 必须根据焊件厚度, 材料性质以及焊件结构等因素而进行定位焊, 在保证溶剂的前提下, 定位焊点应尽量小而薄, 间距根据焊件的刚度和变形情况定。为控制焊接变形及焊接裂纹等缺陷, 针对不同的焊接形式, 可采用分段焊、对称焊。焊枪与焊件之间相对位置夹角约为70°～85°, 焊丝与焊件夹角约为10°～15°, 在焊接过程中, 焊枪保持均匀的直线移动。焊丝作往复送入熔池。但是, 填充焊丝不能离开氩气保护区, 以免高温的填充焊丝末端被氧化, 使焊接质量下降。焊接结束时, 除了采用电流衰减装置, 在操作中也必须逐步提高焊枪的移动速度或焊件的转动速度, 并且将填充焊丝加速送入熔池。待弧坑填满为止。焊接另一边时, 为了减少焊件变形从另一端开始起弧。焊缝焊接后都会有不同程度的收缩变形, 收缩的多少与修配间隙有关, 经大量的实践, 总结出在修配时加0.1%～0.2%的余量, 是可以补充焊后收缩的。为了消除应力, 还应进行固溶处理。