GH4169合金渦輪盤鍛造成型的數(shù)值模擬和分析

陳文豪等

摘要： 利用Gleeble3500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)研究GH4169合金在不同溫度和變形速度下的熱變形行為，建立該合金的高溫流變應(yīng)力模型.用Deform3D對GH4169鎳基高溫合金渦輪盤鍛造成型過程進(jìn)行數(shù)值模擬，比較不同變形速度和不同變形溫度下工件的變形行為.結(jié)果表明：相對于變形速度，變形溫度對鍛件性能的影響更加明顯；較高的變形溫度有利于材料的動(dòng)態(tài)恢復(fù)和再結(jié)晶，使組織均勻，但過高的終鍛溫度會使晶粒尺寸變大，進(jìn)而影響渦輪盤的機(jī)械性能.

關(guān)鍵詞： 航空發(fā)動(dòng)機(jī)； 渦輪盤； 鎳基高溫合金； 鍛造成型； 變形溫度； 晶粒尺寸； 數(shù)值模擬

中圖分類號： V232.3；TB115.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： The thermal deformation of GH4169 alloy is studied by the thermal simulation testing machine of Gleeble3500 under the condition of different temperature and deformation velocity， and the high temperature flow stress model of the alloy is built. The numerical simulation is performed on the forging deforming of GH4169 nickelbase superalloy turbine disc by Deform3D， and the different deformation behaviors of a workpiece are compared under different deformation velocity and temperature. The results show that， comparing with the deformation velocity， the effect of deformation temperature on the performance of the forging piece is more obvious； the higher deformation temperature is helpful for dynamic recovery and recrystallization of the material， which makes the organization more uniform； but the grain size becomes larger if the final forging temperature is too high， which weakens the mechanical performance of the turbine disc.

Key words： aeroengine； turbine disc； nickelbase superalloy； forging deforming； deformation temperature； grain size； numerical simulation

引言

GH4169作為一種常見的航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鎳基高溫合金，在-253～650 ℃下具有高強(qiáng)度、高疲勞性能和良好的塑性，是目前應(yīng)用廣泛的一種高溫合金，占世界上高溫合金產(chǎn)品的35%～40%.[1]但是，GH4169合金在鍛造成型時(shí)，具有高溫塑性低、變形抗力大、可鍛溫度范圍窄、導(dǎo)熱性差等缺點(diǎn)，且鍛件的晶粒尺寸無法由后期熱處理工藝進(jìn)行改善，主要靠鍛造成型工藝進(jìn)行控制.所以，GH4169合金鍛件的成型工藝直接決定鍛件的機(jī)械性能.[2]

本文利用Deform3D對某型號航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤鍛造成型過程進(jìn)行仿真模擬研究，為優(yōu)化渦輪盤鍛造工藝、研究GH4169的熱塑性變形行為提供理論依據(jù).

模擬模具的初始溫度設(shè)置為980 ℃.在變形初始，模具與工件直接存在60 ℃的溫度差.在變形過程中，工件不斷向模具散熱，接觸表面溫度下降，同時(shí)塑性變形使工件的變形功轉(zhuǎn)化為熱能.模具和工件之間的摩擦也隨著接觸面積的增加而不斷增大，由摩擦引起的熱效應(yīng)也增強(qiáng)，從而使工件溫度不斷上升，尤其是飛邊和輪緣這些變形最激烈的區(qū)域.變形速度的增加，使模具和工件的接觸時(shí)間縮短，熱傳遞時(shí)間也縮短，工件整體溫度升高.因此，在實(shí)際鍛造生產(chǎn)過程中，要合理選擇變形速度，避免局部溫度過高，從而產(chǎn)生局部粗晶現(xiàn)象，影響渦輪盤的機(jī)械性能.

當(dāng)摩擦因子為0.3，溫度為1 040 ℃時(shí)不同變形速度對等效應(yīng)力的影響見圖5，可知，隨著變形速度的增加，輪盤的等效應(yīng)力明顯增加

由圖6可知，隨著溫度的升高，工件的等效應(yīng)變不斷增加.當(dāng)變形溫度從980 ℃升高到1 100 ℃時(shí)，等效應(yīng)變也從4.55增加到7.21，即材料的流動(dòng)性得到顯著改善.

當(dāng)摩擦因子為0.3，變形速度為20 mm/s時(shí)不同的變形溫度對工件等效應(yīng)力的影響見圖7，由圖7可知，等效應(yīng)變隨變形溫度的升高而顯著降低.在變形結(jié)束時(shí)刻，當(dāng)變形溫度為980，1 000，1 040和1 100 ℃時(shí)，工件的最高等效應(yīng)力分別為496，426，407和370 MPa.等效應(yīng)變和應(yīng)力隨溫度的升高不斷發(fā)生變化，這些都可以看做是材料變形能力的變化，其原因是：溫度的升高增強(qiáng)原子的擴(kuò)散能力，增加晶界的遷移能力，使材料更容易發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶，抵消由位錯(cuò)產(chǎn)生的加工硬化，提高材料的塑性，使變形更容易.

通過對上述不同加工條件的分析可以看出，溫度對GH4169合金的變形影響更大.雖然當(dāng)變形速度不同時(shí)，工件的等效應(yīng)變、等效應(yīng)力存在差異，但通常造成這種差異的原因除變形速度不同造成的溫度降不同以外，則是高應(yīng)變速率使工件組織的回復(fù)和再結(jié)晶過程不夠充分.在本次模擬過程中，工件與模具都處在較高的溫度中，散熱很少，導(dǎo)致工件的溫度降低和高應(yīng)變速率的硬化機(jī)制不能發(fā)揮主導(dǎo)作用，從而顯著地影響工件的變形抗力.

因此，在GH4169合金渦輪盤的鍛造過程中，首先應(yīng)考慮合理的鍛造溫度區(qū)間的選擇.溫度的選擇一方面要保證組織能夠發(fā)生普遍明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使組織晶粒度均勻，避免出現(xiàn)混晶現(xiàn)象；另一方面要考慮晶粒的尺寸，避免溫度過高，使晶粒過分長大.其次，雖然變形速度對加工過程的影響相對變形溫度產(chǎn)生的影響較小，但因變形速率過高而造成工件局部過熱，從而產(chǎn)生局部粗晶現(xiàn)象卻是GH4169合金渦輪盤加工過程中的常見現(xiàn)象，因此，在合理選擇變形溫度的基礎(chǔ)上，選擇適當(dāng)?shù)淖冃嗡俣饶苓M(jìn)一步改善變形的均勻性，提高工件的性能.

4結(jié)論

（1）通過GH4169合金的等溫恒應(yīng)變速率壓縮試驗(yàn)，確定該合金在高溫下的雙曲正弦流變應(yīng)力模型，并通過實(shí)例模擬驗(yàn)證該模型在數(shù)值模擬過程中能夠準(zhǔn)確反映GH4169合金在不同加工條件下的變形規(guī)律.

（2）較高的變形速度可以減少工件與模具的接觸時(shí)間，使工件的散熱減少，溫度場分布更均勻；但過大的變形速度會使工件產(chǎn)生局部溫度過高，造成局部粗晶現(xiàn)象.

（3）較高的變形溫度使材料的恢復(fù)與再結(jié)晶變得更容易，使工件塑性更好，變形更均勻充分；但過高的終鍛溫度會使再結(jié)晶后的晶粒增大，影響工件的機(jī)械性能.參考文獻(xiàn)：

[1]王會陽， 安云岐， 李承宇， 等. 鎳基高溫合金材料的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào)， 2011（25）： 482486.

WANG Huiyang， AN Yunqi， LI Chengyu， et al. Research progress of Nibased superalloy[J]. Mat Rev， 2011（25）： 482486.

[2]劉潤廣， 蔣浩民， 姜勇， 等. GH4169合金超塑性變形及其力學(xué)行為的研究[J]. 航空材料工藝， 1998（2）： 3638.

LIU Runguang， JIANG Haomin， JIANG Yong， et al. Study on superplastic deformation and mechanical behavior of alloy GH4169[J]. Aerospace Materials & Technol， 1998（2）： 3638.

[3]SELLARS C M， MCTEGART W J. On the mechanism of hot deformation[J]. Acta Metallurgica， 1966， 14（9）： 11361138.

[4]Mc QUEEN H J， RYAN N D. Constitutive analysis in hot working[J]. Materials Science and Engineering A， 2002（322）： 4363.

[5]PRASAD Y V R K， GEGEL H L， DORAIVELU S M， et al. Modeling of dynamic material behavior in hot deformation： forging of Ti6242[J]. Metallurgical Trans A， 1984， 15（10）： 19841992.（編輯武曉英）

因此，在GH4169合金渦輪盤的鍛造過程中，首先應(yīng)考慮合理的鍛造溫度區(qū)間的選擇.溫度的選擇一方面要保證組織能夠發(fā)生普遍明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使組織晶粒度均勻，避免出現(xiàn)混晶現(xiàn)象；另一方面要考慮晶粒的尺寸，避免溫度過高，使晶粒過分長大.其次，雖然變形速度對加工過程的影響相對變形溫度產(chǎn)生的影響較小，但因變形速率過高而造成工件局部過熱，從而產(chǎn)生局部粗晶現(xiàn)象卻是GH4169合金渦輪盤加工過程中的常見現(xiàn)象，因此，在合理選擇變形溫度的基礎(chǔ)上，選擇適當(dāng)?shù)淖冃嗡俣饶苓M(jìn)一步改善變形的均勻性，提高工件的性能.

4結(jié)論

（1）通過GH4169合金的等溫恒應(yīng)變速率壓縮試驗(yàn)，確定該合金在高溫下的雙曲正弦流變應(yīng)力模型，并通過實(shí)例模擬驗(yàn)證該模型在數(shù)值模擬過程中能夠準(zhǔn)確反映GH4169合金在不同加工條件下的變形規(guī)律.

（2）較高的變形速度可以減少工件與模具的接觸時(shí)間，使工件的散熱減少，溫度場分布更均勻；但過大的變形速度會使工件產(chǎn)生局部溫度過高，造成局部粗晶現(xiàn)象.

（3）較高的變形溫度使材料的恢復(fù)與再結(jié)晶變得更容易，使工件塑性更好，變形更均勻充分；但過高的終鍛溫度會使再結(jié)晶后的晶粒增大，影響工件的機(jī)械性能.參考文獻(xiàn)：

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[5]PRASAD Y V R K， GEGEL H L， DORAIVELU S M， et al. Modeling of dynamic material behavior in hot deformation： forging of Ti6242[J]. Metallurgical Trans A， 1984， 15（10）： 19841992.（編輯武曉英）

因此，在GH4169合金渦輪盤的鍛造過程中，首先應(yīng)考慮合理的鍛造溫度區(qū)間的選擇.溫度的選擇一方面要保證組織能夠發(fā)生普遍明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使組織晶粒度均勻，避免出現(xiàn)混晶現(xiàn)象；另一方面要考慮晶粒的尺寸，避免溫度過高，使晶粒過分長大.其次，雖然變形速度對加工過程的影響相對變形溫度產(chǎn)生的影響較小，但因變形速率過高而造成工件局部過熱，從而產(chǎn)生局部粗晶現(xiàn)象卻是GH4169合金渦輪盤加工過程中的常見現(xiàn)象，因此，在合理選擇變形溫度的基礎(chǔ)上，選擇適當(dāng)?shù)淖冃嗡俣饶苓M(jìn)一步改善變形的均勻性，提高工件的性能.

4結(jié)論

（1）通過GH4169合金的等溫恒應(yīng)變速率壓縮試驗(yàn)，確定該合金在高溫下的雙曲正弦流變應(yīng)力模型，并通過實(shí)例模擬驗(yàn)證該模型在數(shù)值模擬過程中能夠準(zhǔn)確反映GH4169合金在不同加工條件下的變形規(guī)律.

（2）較高的變形速度可以減少工件與模具的接觸時(shí)間，使工件的散熱減少，溫度場分布更均勻；但過大的變形速度會使工件產(chǎn)生局部溫度過高，造成局部粗晶現(xiàn)象.

（3）較高的變形溫度使材料的恢復(fù)與再結(jié)晶變得更容易，使工件塑性更好，變形更均勻充分；但過高的終鍛溫度會使再結(jié)晶后的晶粒增大，影響工件的機(jī)械性能.參考文獻(xiàn)：

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[2]劉潤廣， 蔣浩民， 姜勇， 等. GH4169合金超塑性變形及其力學(xué)行為的研究[J]. 航空材料工藝， 1998（2）： 3638.

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[4]Mc QUEEN H J， RYAN N D. Constitutive analysis in hot working[J]. Materials Science and Engineering A， 2002（322）： 4363.

[5]PRASAD Y V R K， GEGEL H L， DORAIVELU S M， et al. Modeling of dynamic material behavior in hot deformation： forging of Ti6242[J]. Metallurgical Trans A， 1984， 15（10）： 19841992.（編輯武曉英）