GH4169材料實際反擠壓與數(shù)值模擬分析對比研究

文／朱林，秦佳明·青海祥躍高合金科技有限責任公司沈陽分公司賈文濤·中國科學院金屬研究所

GH4169高溫合金材料經(jīng)加熱到1150℃，轉移到壓機模具內進行材料反擠壓坯料成形，本次結合Deform有限元分析數(shù)值模擬與實際材料反擠壓成形，對比實際擠壓與有限元分析數(shù)值模擬結果進行討論研究。

GH4169合金美國牌號為Inconel718合金，GH4169合金是一種鎳基高溫合金，它在高溫條件下具有強度高，抗氧化、抗輻照、熱加工性能和焊接性能好的特點。其合金元素較多，現(xiàn)在為航空、航天以及核電、石油領域大量應用的關鍵材料，尤為在發(fā)動機領域應用較多。隨著發(fā)動機領域不斷向前發(fā)展，使得GH4169合金的應用領域不斷擴大，用量也日益增加，目前已成為使用面最廣、產量最大的一種鎳基高溫合金。

GH4169合金是以體心四方γ＂相和面心立方γ＇相沉淀強化的鎳基高溫合金，合金在-253℃～700℃之間具有較高的抗拉強度、屈服強度、持久強度和塑性。在現(xiàn)代航空發(fā)動機制造工業(yè)中，GH4169被稱為高溫合金性能之王。本次主要討論GH4169鋼管反擠壓管坯成形技術，并通過Deform數(shù)值模擬對管坯反擠壓成形工藝進行對比研究。

反擠壓法

坯料從?？字辛鞒霾糠值倪\動方向與凸模運動方向相反的擠壓方法為反擠壓，管材、棒材與型材生產都可以采用反擠壓，金屬反向擠壓成形具有一百多年的歷史，但是實際應用近些年才開展，圖1所示為典型反擠壓示意圖。

圖1 典型反擠壓示意圖

在實際應用過程中，反向擠壓具有以下特點：

⑴擠壓速度可以提高?？梢越档团髁显谵D移過程中的溫度損耗，維持坯料外表面高溫下流變應力，減小擠壓過程產生的擠壓力。

⑵減小摩擦力。反擠壓過程中，凹模與坯料之間有很少的相對運動，摩擦力主要集中于凸模與坯料之間，所以反擠壓可以大幅度減小摩擦造成的擠壓力。

⑶組織性能均勻，提高產品成品率。坯料外表面尺寸精度良好，可生產高精度產品。

數(shù)值模擬

幾何模型建立

本次模擬采用Deform對GH4169反向擠壓管坯進行有限元模擬分析，模擬過程中簡化模具，采用旋轉對稱繪制模具與坯料，達到有限元分析目的，具體簡化后圖形如圖2所示。

圖2 反擠壓模擬簡化示意圖

邊界條件設置

本次熱擠壓材料溫度與摩擦系數(shù)等邊界條件參數(shù)見表1。

表1 邊界條件參數(shù)設置

材料數(shù)據(jù)

模擬坯料材料使用的是GH4169，材料合金高溫壓縮變形行為研究采用Arrhenius方程。本構方程導入Deform中，依據(jù)本構方程得到的材料流動應力曲線如圖3所示（以溫度1000～1200℃，應變速率0.1～5s-1為例）。

圖3 GH4169材料流變應力曲線圖

模擬數(shù)據(jù)結果

溫度場數(shù)據(jù)顯示，凸模與坯料接觸位置溫度，凹模與坯料接觸溫度均明顯提高，因此與坯料接觸模具應該選擇熱作模具鋼作為接觸模具材料。

在這種參數(shù)條件下，擠壓完畢后，坯料溫度與應變分布如圖4所示，由于擠壓過程中較慢，邊緣溫度下降比較明顯。擠壓后的材料應變分布如圖5所示，坯料變形過程如圖6所示。

圖4 成形材料溫度分布

圖5 成形應變分布

擠壓力曲線

模擬擠壓過程中壓力與位移曲線如圖7所示，當凸模相對坯料擠壓運動20mm時，壓力達到擠壓突破值360t，隨后壓力下降，后續(xù)過程中壓力小幅度上升。擠壓力曲線呈現(xiàn)明顯兩個階段，第一階段擠壓力呈臺階式上升最終達到擠壓突破力。第二階段擠壓力突破后下降回落再平穩(wěn)上升。

實際擠壓

本次試驗采用擠壓設備為500t壓機，擠壓模具安裝后壓機與擠壓模具如圖8所示。試驗溫度與模擬設置一致，坯料溫度為1150℃，最終得到擠壓過程中壓力與位移的曲線（圖9），最大突破擠壓力約490t，隨后壓力下降，后續(xù)過程中壓力小幅度上升。與模擬結果一樣，擠壓力曲線呈現(xiàn)明顯兩個階段，第一階段擠壓力呈臺階式上升最終達到擠壓突破力。第二階段擠壓力突破后下降回落再平穩(wěn)上升。最終擠壓成品如圖10所示。

結果分析

對比GH4169反擠壓管坯數(shù)值模擬分析結果與實際擠壓結果，擠壓力偏差在8%范圍內，考慮到模擬邊界條件參數(shù)設置與實際參數(shù)的偏差、溫度的耗散與實際偏差等因素，模擬分析可以代表實際結果進行討論。

圖6 坯料變形過程

圖7 模擬壓力與位移曲線圖

圖8 500t壓機與擠壓模具圖

圖9 實際擠壓力與位移曲線圖

圖10 實際擠壓成品圖

實際擠壓與模擬擠壓過程都是最大突破力完成后，隨后壓力下降，后續(xù)過程中壓力小幅度上升。擠壓力曲線呈現(xiàn)明顯兩個階段，第一階段擠壓力呈臺階式上升最終達到擠壓突破力；第二階段擠壓力突破后下降回落再平穩(wěn)上升。實際擠壓與模擬擠壓壓力趨勢基本一致。

結論

本文討論GH4169反向擠壓管坯與數(shù)值模擬分析對比研究，先用模擬進行分析，再根據(jù)實際情況進行對比，得到結果如下：

⑴經(jīng)過模擬與實際擠壓力對比，擠壓力偏差在8%范圍內，后續(xù)相同材料擠壓前可利用數(shù)值模擬對擠壓過程進行模擬分析；

⑵通過模擬壓力與實際擠壓趨勢對比，GH4169合金反擠壓成形實際擠壓與模擬擠壓壓力趨勢基本一致；

⑶實際擠壓所得成品，金屬材料內外表面光滑，無明顯劃痕與缺陷，為產品下階段機加過程帶來便利。