液体火箭发动机涡轮转子工作环境一般比较恶劣—温度高、转速高、气动冲击大等。某型液体火箭发动机工作时涡轮转速达30000 rpm，涡轮腔燃气温度高达1123 K。为了增加涡轮转子机械强度以及保证轮盘和转动轴连接简单、可靠，涡轮转子可采用一体化结构，即转子叶栅与轮盘一体，同时传动轴与轮盘一体。结构上就显得盘轴外径尺寸差异大，采用棒料直接机械加工不太现实，也不经济，一般采用整体锻造而成。因此涡轮转子的锻造工艺将是转子机械性能的关键因素，一旦机械性能不合格，就会出现叶片断裂、轮盘龟裂等故障，造成发动机不能正常工作，直接导致发射任务失败。

CH4141材料的本身特性决定了其锻造加工温度范围窄，变形抗力大，因此确定科学合理的锻造工艺，确保工作可靠，降低产品废品率，节省生产成本有着重要意义。

高温合金CH4141使用要求的机械性能指标见表1。

锻造基本原理

塑性材料由开始变形直至破坏分为三个阶段:弹性变形、塑性变形、破裂。弹性变形发生在变形的初期阶段,塑性变形是变形的第二阶段。当塑性变形达到极限状态时,金属的连续性和完整性被破坏，发生裂纹或断裂。锻造就是利用金属加热到高温所具有的塑性，使之变形到规定的形状而不产生破裂。

金属的塑性变形微观上是晶体的塑性变形，晶体有单晶体和多晶体，通常使用的金属大都是多晶体，是由大量的形状、体积和晶格方位不同的晶粒所构成的晶体。各个晶粒间的晶界呈犬牙交错状态，每个晶粒内部的变形都在晶界上受到晶界杂质和相邻晶粒的阻碍，变形抗力大。同样成分的金属，晶粒愈细,变形抗力愈大，强度亦愈高。同时，由于各个晶粒的晶格位向不同，塑性变形并不是在所有晶粒内同时和相同程度地发生着，而是首先在那些最有利于发生滑移的晶粒内发生，因而,晶粒越细塑性变形就越均匀地分布在更多的晶粒内,塑性越好,使金属能承受更大的整体变形而不会破裂。

金属高温下发生塑性变形时，晶粒在滑移面附近发生晶格畸变和晶粒破碎，在高温下原子的扩散速度很大，原子排列首先趋向正常，这个过程为回复,回复只能消除晶格畸变，不改变晶粒的形状和大小，也不能消除破碎的晶粒。随着原子活动能力进一步增强，破碎和变形的晶粒就以碎晶块为核心成长为新的细小晶粒，这个过程称为再结晶。再结晶后晶粒得到细化，塑性改善，可继续进行锻造。一般随着锻造进行，金属温度快速降低,塑性随之变差，同时再结晶速率也会快速降低，此时如果继续使之发生变形，变形抗力增大，会出现破裂。可再次加热，提升温度，同时充分发生再结晶，改善塑性。然而如果再结晶过程中,金属的温度继续升高，则再结晶后晶粒就会聚集长大，发生二次再结晶，使材料的性能变差。

影响金属塑性的因素

除了金属本身的化学成分和组织状态对其塑性有重大影响外,还受以下条件影响。①变形温度。一般塑性变形的温度越高，则再结晶的速度越快,塑性越好，可改善金属的锻造性能。但是,变形温度过高,晶粒长大，塑性则急剧下降。②应变速率。即单位时间内的相对变形程度。随着应变速率的增加，回复和再结晶不能及时克服加工硬化的作用，使塑性下降。因此,对于本质塑性较差的材料，应采取较低的应变速率，通过多次锻造，每次回炉时，通过回复和再结晶，使塑性改善。③应力状态。金属在经受不同的方法变形时，其内部的应力状态也不同。例如，挤压时的应力状态是三向压应力;拉拔时则为两个方向受压，一个方向受拉;自由锻时坯料上下同部位的应力状态不*相同。压应力使金属质点间趋向紧密，拉应力则使它们趋向分离而易导致破裂。因此在三个方向的应力中压应力的数目越多，金属的塑性越好。但是,在压应力作用下变形时，金属内部的摩擦力增大，变形抗力增加。

锻造对金属组织和性能的影响

锻造不仅可以使金属改变形状，还可使其内部组织发生如下变化，从而影响材料的机械性能。

①材料内部空洞性缺陷，如疏松、微裂纹等缺陷,在锻造压应力作用下可以压实直至焊合，改善组织致密性。

②细化晶粒,锻造时粗大的晶粒在巨大的压应力作用下得到充分的破碎。经过再结晶后重新形成晶粒,形成晶粒的大小与变形温度和变形程度有关。一般地,在达到一定的变形程度后变形温度越低，晶粒越细。

③形成纤维组织。锻造金属发生塑性变形时，金属内部非金属夹杂物沿着变形方向呈带状或链状分布。这种组织称为纤维组织。纤维组织的形成使金属的机械性能出现方向性，沿纤维方向的塑性和韧性高于垂直纤维方向。但金属的强度在两个方向上差别不大。