近年來(lái)，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)等制造技術(shù)的不斷提高，高性能高溫合金環(huán)件得到了廣泛的應(yīng)用。這些環(huán)形件主要制造燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)機(jī)閘、渦輪機(jī)閘、燃燒室機(jī)閘、安裝邊、封嚴(yán)圈、擋板、殼體等直徑和高度不等的各種環(huán)形零件，這類(lèi)零件使用工況不同對(duì)材料也有不同的要求，且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推力及推重比的加大，傳統(tǒng)耐熱鋼制造的環(huán)形零件正逐漸被變形高溫合金替代。
生產(chǎn)工藝及保溫方式分析
生產(chǎn)工藝分析
目前高溫合金環(huán)件的生產(chǎn)主要采用軋制工藝，采用軋制工藝生產(chǎn)環(huán)形件的優(yōu)點(diǎn)為尺寸精度高、材料消耗低、機(jī)械加工量少、效率高、成本低；金屬流線(xiàn)完整、環(huán)件內(nèi)部組織致密；設(shè)備利用率高、模具壽命長(zhǎng)；容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、勞動(dòng)強(qiáng)度低。
另一種生產(chǎn)方式是自由鍛，其特點(diǎn)是投產(chǎn)快，不受重量限制，但材料利用率低，金屬流線(xiàn)差，僅適用于新機(jī)研制所需的單件試制或小批量環(huán)形鍛件的生產(chǎn)。
保溫方式分析
由于高溫合金材料本身的特殊性，熱加工工藝塑性差，工藝敏感性強(qiáng)，且在環(huán)件的軋制過(guò)程中，若一味提高軋制溫度，雖然能提高高溫合金的塑性，但會(huì)造成晶粒過(guò)于粗大，且以軋制的變形程度而言，不足以破碎已經(jīng)長(zhǎng)大的晶粒使其重新形核并長(zhǎng)大，容易形成不均勻的內(nèi)部組織。
當(dāng)降低軋制溫度時(shí)，由于軋制時(shí)間較長(zhǎng)，坯料在軋制時(shí)會(huì)持續(xù)降溫，導(dǎo)致終軋溫度偏低，使得再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力不足，導(dǎo)致合金的再結(jié)晶完成不充分，在顯微組織中容易形成部分的拉長(zhǎng)晶粒。與此同時(shí)，過(guò)度的溫降使得高溫合金的變形抗力增大，容易在坯料表面（尤其是表面棱角處）產(chǎn)生裂紋。因此，相對(duì)較低的軋制溫度和良好的保溫措施是一種進(jìn)行環(huán)件軋制較為合適的方法。
目前大多采用包套的方式對(duì)坯料進(jìn)行保溫，室溫下將耐高溫纖維氈包裹在坯料外表面，并用細(xì)鐵絲捆綁，再將坯料入爐加熱，以確保坯料在轉(zhuǎn)移過(guò)程中纖維氈不易脫落。在軋制時(shí)，由于纖維氈經(jīng)高溫加熱后脆性增大，會(huì)隨著環(huán)件軋制變形而逐漸脫落。但是采用軟包套工藝也存在一些弊端：纖維氈的包裹和捆綁鐵絲過(guò)程較為復(fù)雜，耗時(shí)較多，會(huì)降低環(huán)件的生產(chǎn)效率；品質(zhì)較好的纖維氈普遍成本較高；脫落的纖維氈會(huì)影響車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，纖維單絲斷裂后會(huì)產(chǎn)生微小細(xì)絲，容易被人體吸入，沉積于肺部對(duì)呼吸系統(tǒng)造成損害。
針對(duì)上述問(wèn)題，我公司成功研制了針對(duì)不同溫度、保溫時(shí)間下高溫合金軋制的水性保溫涂料，在高溫合金入爐加熱前涂覆于其表面，待干燥后隨坯料入爐加熱即可。其中具有代表性的涂料型號(hào)有GZH-3-1 和GZH-5，具體適用工藝如表1 所示。
此類(lèi)保溫涂料可完美代替軟包套工藝，可以更好地解決高溫合金環(huán)件軋制工藝中的坯料保溫問(wèn)題，減少坯料軋制后表面裂紋，使之更易獲得均勻細(xì)小的微觀(guān)組織，同時(shí)簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了車(chē)間的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。
保溫涂料配方設(shè)計(jì)
應(yīng)用于高溫合金環(huán)件軋制工藝中的保溫涂料是以多種晶態(tài)非金屬氧化物及礦物和非晶態(tài)復(fù)合玻璃為主要固體基料，并添加一定量的粘接劑、助劑和水配置而成的懸浮液，在坯料入爐加熱前將涂料攪拌均勻并刷涂或噴涂到坯料表面，使涂料均勻地覆蓋于坯料表面，待干燥后形成涂層。在設(shè)計(jì)涂料配方時(shí)，應(yīng)考慮高溫合金環(huán)件軋制的具體工藝，即加熱溫度、保溫時(shí)間、爐內(nèi)氣氛、軋制條件，分別設(shè)計(jì)出與各類(lèi)高溫合金基材具有良好兼容性的，且擁有適當(dāng)高溫黏度、膨脹系數(shù)的涂料，以達(dá)到與不同的高溫合金環(huán)件軋制加工工藝條件的完美匹配。
⑴非金屬氧化物。
具體而言，非金屬氧化物及礦物主要選用SiO2、高嶺土等耐高溫、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、對(duì)高溫合金不造成高溫?zé)岣g的硅酸鹽類(lèi)物質(zhì)，以保證涂層的高溫穩(wěn)定性，并利用SiO2 膨脹系數(shù)小的特點(diǎn)，使坯料軋制完成后的降溫過(guò)程中涂層易于自行剝落。
⑵非晶態(tài)復(fù)合玻璃。
加入適量高溫黏度與坯料加熱溫度相匹配的玻璃粉，會(huì)在坯料入爐加熱過(guò)程中迅速熔融成膜，隔絕O2 等氣體，防止高溫合金表面發(fā)生氧化及合金內(nèi)部的元素貧化。目前，不同軟化溫度、高溫黏度玻璃組分的實(shí)現(xiàn)，主要通過(guò)調(diào)整玻璃的化學(xué)組成實(shí)現(xiàn)，例如：增加玻璃組分中的SiO2、Al2O3、MgO 等化合物可增大玻璃的高溫黏度，而增加玻璃組分中的TiO2、Na2O、K2O、B2O3 等化合物可減小玻璃的高溫黏度，通過(guò)高溫黏度儀對(duì)玻璃組分在不同溫度下的黏度變化進(jìn)行檢測(cè)，以確定最佳的黏度范圍。
⑶粘結(jié)劑。
保溫涂料中的粘結(jié)劑直接影響著噴涂或刷涂后涂層在坯料上的附著力，良好的附著力可以使得涂層在干燥后不容易脫落。與此同時(shí)，良好的粘結(jié)劑還應(yīng)該保證涂層干燥后易于水洗，這樣在涂覆出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)涂層能易于去除，不至于使坯料報(bào)廢。所選用的粘結(jié)劑還應(yīng)該保證無(wú)毒、無(wú)刺激性氣味，以保證噴涂現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境。按照上述要求，本保溫涂料選用新型復(fù)合粘結(jié)劑，可保證涂層在坯料上的附著力，同時(shí)確保了涂層易于水洗，并且對(duì)增強(qiáng)涂料的懸浮性能有一定的幫助，避免了長(zhǎng)期儲(chǔ)存后涂料出現(xiàn)的沉淀和分層問(wèn)題。
⑷其他添加劑。
本涂料還借鑒了建筑涂料配方的設(shè)計(jì)理念，增加了潤(rùn)濕劑、消泡劑、成膜助劑、增稠劑、分散劑等多功能助劑，將涂料的黏稠度調(diào)整到了較為合適的范圍，并提高了涂料的綜合性能。
保溫涂料的防護(hù)效果
選用尺寸為φ 35mm×19.5mm 的GH4033 高溫合金試樣( 圖1(a))，除去試樣表面油污等污漬，再將試樣預(yù)熱到80℃左右，涂覆GZH-5 保溫涂料，涂覆厚度控制在300±20μm，待涂料干燥后( 圖1(b)) 與未涂覆GZH-5 涂料的試樣同時(shí)放入1150℃爐中，保溫3h，出爐后觀(guān)察涂層狀態(tài)及試樣氧化情況，如圖2 所示。
由圖2 可見(jiàn)，無(wú)涂層的試樣氧化嚴(yán)重，失去金屬光澤，有涂層的試樣棱角處涂層自動(dòng)剝落，仍可見(jiàn)到金屬光澤，且顏色未發(fā)生變化，涂層具有很好的防護(hù)效果。涂層未完全剝落是因?yàn)槲磳?duì)試樣進(jìn)行熱變形，在實(shí)際軋制過(guò)程中，經(jīng)過(guò)高溫合金的軋制變形，涂層會(huì)在軋制過(guò)程中和軋制后逐漸剝落。
保溫效果驗(yàn)證
⑴ GZH-5 涂料效果驗(yàn)證。
選用尺寸為φ3 5mm×19.5mm 的GH4033 高溫合金試樣，按與上述試驗(yàn)相同的方式處理試樣及涂覆GZH-5 涂料，待涂料干燥后與未涂覆GZH-5 涂料的試樣同時(shí)放入1150℃爐中，保溫3h，出爐后用每隔0.5 ～ 1min 拍照記錄試樣狀態(tài)，通過(guò)觀(guān)察試樣顏色來(lái)辨別試樣的溫度，如圖3 所示，溫度與顏色對(duì)比如圖4。
根據(jù)圖3 的顏色狀態(tài)，參照如圖4 所示的高溫合金顏色與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系圖，可明顯看出GZH-5 保溫涂料的保溫作用，具體保溫效果如表2 所示。
在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，保溫涂料可以在坯料轉(zhuǎn)運(yùn)和軋制過(guò)程中起到保溫作用，避免高溫合金過(guò)度降溫對(duì)軋制造成的不利影響。
⑵ GZH-3-1 涂料效果驗(yàn)證。
為了進(jìn)一步地表征保溫涂料的保溫效果，選用尺寸為φ 35mm×19.5mm 的GH4033 高溫合金試樣，按與上述試驗(yàn)相同的方式處理試樣及涂覆GZH-3-1涂料，待涂料干燥后與未涂覆GZH-3-1 涂料的試樣同時(shí)放入1010℃爐中，保溫3h，出爐后放置于室溫耐火磚上，用UNI-T 公司生產(chǎn)的UT303D 非接觸式紅外測(cè)溫儀，每隔10s 測(cè)定一次試樣溫度，測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。
由圖5 可見(jiàn)，GZH-3-1 保溫涂料的保溫效果非常明顯。圖5 中的試樣溫降較快的原因?yàn)樵嚇芋w積小，且出爐后置于室溫耐火磚上，試樣會(huì)將一部分熱量傳遞給耐火磚。
總結(jié)
綜上所述，保溫涂料具有優(yōu)異的防護(hù)、保溫性能，且高溫下無(wú)玻璃光澤，不會(huì)在高溫軋制時(shí)由于潤(rùn)滑而產(chǎn)生不利影響，其使用工藝簡(jiǎn)便、無(wú)毒環(huán)保，能保證全熱歷程隔絕所有氣體對(duì)坯料的影響，并顯著減少高溫合金轉(zhuǎn)運(yùn)和軋制過(guò)程中的溫降，能廣泛適用于不同溫度下的高溫合金環(huán)件軋制工藝。
