GH738合金數(shù)值模擬材料數(shù)據(jù)庫的建立

文/佗勁紅，關(guān)紅，譚志剛，閔慧娜·中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責(zé)任公司

GH738合金數(shù)值模擬材料數(shù)據(jù)庫的建立

文/佗勁紅，關(guān)紅，譚志剛，閔慧娜·中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責(zé)任公司

佗勁紅，畢業(yè)于東北大學(xué)材料與工程專業(yè)，工學(xué)碩士，主要從事葉片CAD開發(fā)及鍛造成形數(shù)值模擬研究工作，申報發(fā)明專利5項，發(fā)表論文10余篇。

采用MMS-300型熱模擬試驗機對GH738合金熱變形過程（溫度范圍為1030～1170℃，應(yīng)變速率為0.1～10s-1，應(yīng)變?yōu)?.5）進行了實驗研究，獲得合金的應(yīng)變速率、等效應(yīng)變和變形溫度變化的數(shù)據(jù)，用戶通過自定義新材料，將真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)和物理參數(shù)輸入DEFORM軟件中，建立了GH738合金的材料數(shù)據(jù)庫，為同類材料的數(shù)值模擬提供了可靠的數(shù)據(jù)。采用該材料數(shù)據(jù)庫對GH738合金低壓一級渦輪盤進行了等溫鍛造成形數(shù)值模擬，分析了不同壓下速率下鍛件的溫度場、等效應(yīng)變場變化，為分析GH738合金鍛件組織不均勻的原因提供參考。

GH738合金（相近美國牌號為Waspaloy）是一種以γ′相沉淀強化的鎳基高溫合金，具有良好的耐腐蝕能力、較高的屈服強度和疲勞性能，工藝塑性良好，組織穩(wěn)定。廣泛用于航空發(fā)動機轉(zhuǎn)動部件，使用溫度不高于815℃。

20世紀七十年代，有限元模擬技術(shù)開始了在金屬塑性成形中的應(yīng)用研究。近年來在國外一些大型企業(yè)中，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為金屬成形工藝設(shè)計中的必須工具，眾多學(xué)者對有限元數(shù)值模擬進行了深入研究。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展及有限元技術(shù)的完善和發(fā)展，基于有限元的數(shù)值模擬方法已成為研究塑性成形問題的強有力工具，由于模擬軟件材料數(shù)據(jù)庫中的合金流動應(yīng)力曲線是通過插值和外推的方法得到的，并且用于確定一條流動應(yīng)力曲線的數(shù)據(jù)點過少，致使數(shù)值模擬的結(jié)果與實驗所得結(jié)果相差較大，隨著應(yīng)變的增加，流動應(yīng)力曲線的誤差也逐漸增大。一般的塑性成形過程，變形比較大，使用不準確的材料模型將嚴重影響數(shù)值模擬的精度。因此，建立準確的材料數(shù)據(jù)庫是保證有限元仿真精度的前提條件。本文選取GH738合金為載體，進行了不同溫度、不同變形速率的熱壓縮實驗，建立了基于DEFORM軟件的材料數(shù)據(jù)庫，為該類材料的數(shù)值模擬提供了準確的材料數(shù)據(jù)庫，對于分析材料變形特征，優(yōu)化成形工藝具有重要意義。

實驗材料及方法

實驗材料及前處理

實驗用材料為GH738合金，通過數(shù)控線切割機加工成φ8mm×15mm的圓柱體熱壓縮試樣。實驗用料取自鍛件，鍛件的熱處理制度為：（980±15）℃，保溫1h→空冷或快冷→（775±15）℃，保溫12h→55℃/h的速度爐冷→（620±15）℃，保溫8h→空冷。

熱壓縮實驗

采用東北大學(xué)重點實驗室自主研發(fā)的MMS-300型熱模擬試驗機對GH738合金樣品進行熱壓縮處理。MMS-300型熱模擬試驗機不僅能夠以恒應(yīng)變速率進行精確的變形，而且具有良好的真空度控制，采用高純氮氣作為保護氣體。將試樣以10℃/s的速率加熱至不同的變形溫度，保溫3min以消除試樣內(nèi)部的溫度梯度，使試樣內(nèi)外溫差一致。再以不同的應(yīng)變速率對試樣進行單道次壓縮變形。實驗的變形溫度有1030℃、1120℃、1170℃，應(yīng)變速率為0.1s-1、1s-1、10s-1，壓下率為0.5；壓縮后的試樣立即進行水冷。熱壓縮工藝曲線如圖1所示。變形過程中系統(tǒng)自動采集真應(yīng)力、真應(yīng)變以及變形溫度等數(shù)據(jù)（如圖2），并以excel數(shù)據(jù)表格文件和txt文本文件格式存儲至電腦中。

圖1 熱壓縮工藝制度曲線

圖2 MMS-300自動采集實驗數(shù)據(jù)界面

實驗數(shù)據(jù)采用Origin軟件進行分析處理，將熱模擬實驗得到的真應(yīng)力、真應(yīng)變數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件中，作出曲線如圖3所示。

實驗結(jié)果分析

變形溫度對流動應(yīng)力的影響

從變形速率為0.1s-1時GH738合金的真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線可知，隨著變形溫度的升高，其穩(wěn)態(tài)流變應(yīng)力明顯降低；其原因在于隨著溫度升高，材料的原子動能增加，熱運動加劇，原子間的結(jié)合力減弱，使得臨界剪應(yīng)力降低，因此在高溫下可能出現(xiàn)新的滑移系，使塑性變形更容易發(fā)生；另一方面，隨著溫度升高，不僅原子具有很大的活動能力，位錯也開始發(fā)生交滑移和攀移，異號位錯運動過程中相互吸引而抵消，使位錯密度降低，從而使合金的軟化程度增加；較高的溫度還有利于位錯運動和晶界遷移，使晶核長大的速度增加，進而加快動態(tài)再結(jié)晶過程，加強了動態(tài)再結(jié)晶的軟化作用；故在同一變形速率下，溫度越高，對GH738合金的軟化作用越強，且動態(tài)再結(jié)晶完成速度越快。

圖3 不同應(yīng)變速率下的GH738合金真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線

應(yīng)變速率對流動應(yīng)力的影響

當(dāng)變形溫度為1120℃，變形速率不同時的GH738合金熱模擬壓縮實驗的真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線如圖3c所示。圖中可看出，隨著應(yīng)變速率的增加，相同應(yīng)變對應(yīng)的真應(yīng)力顯著增大；當(dāng)變形速率為0.1mm/s時，峰值應(yīng)力為155.9MPa；當(dāng)變形速率為10mm/ s時，峰值應(yīng)力為368.7MPa。其原因在于隨應(yīng)變速率升高，變形時間縮短，從而塑性變形時位錯運動與位錯攀移發(fā)生與發(fā)展的時間不充分，因此合金內(nèi)位錯來不及擴散導(dǎo)致位錯塞積嚴重，從而致使變形抗力增加。

從圖3c中還可以看出，隨著變形速率的增加，峰值應(yīng)力對應(yīng)的峰值應(yīng)變也逐漸增大，一般認為發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶時的臨界應(yīng)變與峰值應(yīng)變成正比例關(guān)系，這意味著應(yīng)變速率越快，動態(tài)再結(jié)晶的啟動越困難。

建立材料數(shù)據(jù)庫

定義材料流動應(yīng)力曲線

DEFORM-3D允許用戶通過輸入數(shù)據(jù)的形式來定義材料的塑性流動行為。如圖4所示，根據(jù)熱模擬實驗得到的變形過程中真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線，取若干個點，逐個輸入材料在某個溫度、某個變形速率和某個真應(yīng)變下的真應(yīng)力。該方法的優(yōu)點是既不用求取材料的本構(gòu)模型，也不用進行二次開發(fā)，就可以定義材料的流變行為。同時若數(shù)據(jù)點輸入較多，得到的精度比輸入函數(shù)形式的本構(gòu)方程要精確得多。

圖4 用戶自定義材料流動應(yīng)力曲線界面

其他參數(shù)

Deform-3D軟件中用戶通過新建材料，逐項輸入相應(yīng)的物理參數(shù)，如熱導(dǎo)率、比熱容、線膨脹系數(shù)、彈性模量等，完成輸入后單擊保存按鈕，將自動生成KEY文件，該KEY文件即為用戶自定義材料數(shù)據(jù)庫，存在UserDataLibMaterialDefault目錄下。

典型件模擬

模型輸入

選取GH738合金低壓一級渦輪盤為典型件進行等溫鍛造成形數(shù)值模擬，對模具和坯料采用繪圖軟件UG進行三維實體造型，將圖形以STL格式保存，導(dǎo)入Deform-3D前處理器中。由于Deform-3D對位置的調(diào)整等功能不是很強，操作不方便，因此預(yù)先用UG把上下模和坯料的位置調(diào)整好，導(dǎo)入Deform-3D軟件后只需進行接觸微調(diào)。

本文模擬的GH738合金低壓一級渦輪盤鍛造過程模擬的有限元模型見圖5。

圖5 有限元模型

材料定義

在材料成形過程中，模具一般只發(fā)生微小的彈性變形，模擬時可以忽略，將模具看作剛體，可以不對模具進行材料定義，Deform-3D軟件模擬模具都按剛體處理，可以提高計算速度。工件材料從我們自定義的材料數(shù)據(jù)庫中直接添加。

模擬參數(shù)的設(shè)定

鍛造過程模擬參數(shù)包括工/模具材料、模具預(yù)熱溫度、鍛造溫度、鍛造速度和摩擦條件等。加熱溫度1120℃，模具溫度940℃，環(huán)境溫度20℃，模具與工件之間的摩擦因子取0.3，換熱系數(shù)為0.02N/sec/ mm/℃，上模速度分別為0.1mm/s、0.5 mm/s、1mm/s。為了保證幾何模型的離散和計算精度，采用四面體網(wǎng)格進行幾何體的網(wǎng)格劃分，本文定義網(wǎng)格數(shù)為100000，采用初始單元最小網(wǎng)格尺寸的十分之一作為步長。

模擬結(jié)果

利用Deform-3D的后處理功能，可以直觀地觀察到在變形過程中鍛件的外形、內(nèi)部的溫度場、等效應(yīng)力場、等效塑性應(yīng)變場和等效應(yīng)變速率場等各種場變量的變化情況，從而可對整個成形過程進行分析、檢驗和評價。采用不同壓下速率（0.1mm/s、0.5 mm/s、1mm/s）分別進行等溫鍛造成形數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如下：

⑴壓下速度為0.1mm/s。

采用壓下速度為0.1mm/s進行等溫鍛造成形數(shù)值模擬，最終模鍛件的溫度如圖6所示，綠色區(qū)域溫度為：990℃～1100℃，淡藍色區(qū)域溫度為：970℃～980℃，深藍色區(qū)域溫度為：940℃～960℃。由于壓下速度小，總的鍛造時間較長，總鍛造時間1765s，導(dǎo)致最終鍛件的溫度基本和模具的溫度接近在960℃左右，這與實際不符。由此說明實際的壓下速度要比0.1mm/s大。

圖6 壓下速度為0.1mm/s，終鍛件溫度場分布

⑵壓下速度為0.5mm/s。

采用壓下速度為0.5mm/s進行等溫鍛造成形數(shù)值模擬，最終模鍛件的溫度如圖7所示，總鍛造時間179s，綠色區(qū)域溫度為1030～1050℃，淡藍色區(qū)域溫度為1000～1010℃，深藍色區(qū)域溫度為970～980℃。

圖7 終鍛件溫度場分布

等效應(yīng)變?nèi)鐖D8所示，從圖8中可以看出鍛件厚度較大的位置等效應(yīng)變比較小，厚度小的位置等效應(yīng)變相對要大一些，這與鍛件不同位置的實際變形量相接近。

圖8 終鍛件等效應(yīng)變分布

⑶壓下速度為1mm/s。

采用壓下速度為1mm/s進行等溫鍛造成形數(shù)值模擬，最終模鍛件的溫度如圖9所示，低溫范圍為960～990℃，淺藍色區(qū)域的溫度為1010～1050℃，局部角的溫度最高達到1120℃，整個鍛造過程時間為92s。終鍛件剖面上取P1～P10共10點，觀察其溫度變化，根據(jù)各取樣點在整個鍛造過程中的溫度圖可知P1、P8和P9位置處有明顯的溫升，有可能出現(xiàn)大晶粒導(dǎo)致混晶的出現(xiàn)。

圖9 壓下速度為1mm/s，終鍛件溫度場分布

結(jié)論

⑴通過對GH738合金的熱壓縮實驗，得到了不同變形溫度、不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線，用戶通過自定義新材料，將真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)和材料物理參數(shù)輸入軟件中，生成材料數(shù)據(jù)的KEY文件，從而建立了GH738合金材料的數(shù)據(jù)庫，為該類合金的鍛造成形數(shù)值模擬提供了準確的材料數(shù)據(jù)，提高了數(shù)值模擬的精度。

⑵等溫鍛造速度應(yīng)該控制在0.5～1mm/s范圍內(nèi)，為了得到組織狀態(tài)較好的鍛件要對變形量進行控制，這就需要研究預(yù)制坯的形狀，上述模擬采用的預(yù)制坯結(jié)構(gòu)不太合理是導(dǎo)致晶粒不均勻的原因。