伴隨著航空技術的飛速進步，為適應現代航空飛行器大推重比、高飛行速度的發展趨勢，航空發動機渦輪盤的工作溫度區間大多在700℃以上。鎳基合金材料具有較高的耐熱性和優異的綜合性能，因而是使用最為廣泛的渦輪盤材料。由於鎳基高溫合金及渦輪盤結構的特殊性，探討鎳基高溫合金渦輪盤鍛造成型問題就極為重要。

一、渦輪盤的構造特點

渦輪盤是飛機發動機主要熱端零件之一，其效能好壞直接影響到發動機的使用效能，圖1為航空發動機示意圖。渦輪盤的結構形式主要有兩種：對於大中型航空發動機主要採用單盤形式；對於小型航空發動機主要採用整體葉盤結構。通常把前者稱為“渦輪盤”，後者稱為“整體葉盤”。結構渦輪盤包括輪芯、輪轂、輻板和輪緣四部分，結構複雜且各部位橫截尺寸差別很大，因此在渦輪盤鍛造成形時其內部組織的變化十分複雜，屬於典型的難成形零件。其結構如圖2~4所示：

圖1 航空發動機示意圖

圖2某型號渦輪盤的結構示意圖

圖3渦輪盤鍛件的幾何構形圖

圖4渦輪盤的實物圖

二、渦輪盤的工作環境特點

渦輪盤是航空發動機的核心部件，同時也是航空發動機四大類熱端部件中工作條件最為苛刻的部分，其工作溫度在760℃左右。渦輪盤工作時的受力情況也相對比較複雜，除了要承受高速旋轉所帶來的離心力外，還要克服來自葉片的拉應力及扭曲應力。每當發動機停車、起動反覆進行，都構成一次應力週期疲勞，這就對渦輪盤效能提出了很高的要求。總起來其工作環境特點主要為：熱負荷大、離心負荷大、振動負荷大。

熱應力、離心應力和振動應力的疊加，使渦輪盤的受力狀態十分複雜，工作環境極其惡劣。因此，對渦輪盤材料及其鍛件提出了較高的要求：不僅要求其具有長期穩定的高抗拉強度、高屈服強度和高疲勞抗力，材料具有低線膨脹係數、高熱導率、低缺口敏感性和低裂紋擴充套件速率，晶粒組織均勻、流線沿鍛件外形分佈，還要求其所使用的材料在高溫環境條件下具有抵禦腐蝕和氧化的能力。這些條件限制使奧氏體基體組織的高溫合金成為了渦輪盤材料的最佳選擇。

三、鎳基渦輪盤材料的特點

鎳基高溫合金的牌號很多，目前國內用作渦輪盤鍛造的鎳基材料型號主要有FGH95、GH4033、GH4169、GH4133以及GH4133B。其中，GH4133B合金是在GH4133（即GH33A）合金基礎上微量新增合金元素鎂、鋯並改變了冶煉和模鍛工藝而產生的新合金。GH4133B鎳基合金特點是：在高溫（一般指70-750℃）氧化氣氛中和燃氣腐蝕條件下，具有較高的熱穩定性和熱強性，可以在承受較大應力情況下長期使用，具有鎳基高溫合金普遍的優異效能。因此，GH4133B高溫合金成為了渦輪盤材料的理想選擇。

GH4133B作為一種典型的航空發動機用鎳基高溫合金，是使用最為廣泛的渦輪盤材料。

GH4133B鎳基合金完全消除了GH4133合金存在的缺口敏感性，不僅有良好的綜合性能，而且與GH4133合金相比晶粒均勻細小，屈服強度提高78。5~98MPa，蠕變和疲勞效能均優於GH4133合金，且750℃下的持久強度由343MPa提高到392MPa，高溫低周疲勞強度也有相應提高。

四、鎳基渦輪盤的鍛造成型問題

GH4133B不僅是一種耐高溫合金，而且是一種高強度、難變形合金。即使在適宜的熱加工範圍內，也表現出較大的變形抗力。由於該合金在加熱和冷卻時無同素異構轉變，所以其鍛造工藝對零件的組織和效能影響很大。

GH4133B鎳基合金，在低溫時的導熱係數較小，如果裝爐溫度過高或升溫速度過快，就會引起裂紋的產生，見圖、圖。

圖5。 開裂試樣的宏觀形貌

圖6。 開裂時的顯微形貌

同時鍛件表裂和內裂的臨界變形量與變形溫度及相對變形量有密切的關係，如圖

圖7。 性對變形量與塑性關係曲線圖

8。 晶粒長大傾向性曲線

五、小結

GH4133B合金一種典型的難變形高溫合金，主要用作火箭和航空發動機渦輪盤材料，其合金化程度高，變形抗力大，可變形溫度範圍窄，熱加工成形難度大。因此，為保證生產出優質的渦輪盤鍛件，必須加強鍛造質量控制。