GH4169合金渦輪盤鍛造成型的數值模擬和分析

陳文豪等

摘要： 利用Gleeble3500型熱模擬試驗機研究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力模型.用Deform3D對GH4169鎳基高溫合金渦輪盤鍛造成型過程進行數值模擬，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態恢復和再結晶，使組織均勻，但過高的終鍛溫度會使晶粒尺寸變大，進而影響渦輪盤的機械性能.

關鍵詞： 航空發動機； 渦輪盤； 鎳基高溫合金； 鍛造成型； 變形溫度； 晶粒尺寸； 數值模擬

中圖分類號： V232.3；TB115.1文獻標志碼： 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動機用鎳基高溫合金，在-253～650 ℃下具有高強度、高疲勞性能和良好的塑性，是目前應用廣泛的一種高溫合金，占世界上高溫合金產品的35%～40%.[1]但是，GH4169合金在鍛造成型時，具有高溫塑性低、變形抗力大、可鍛溫度范圍窄、導熱性差等缺點，且鍛件的晶粒尺寸無法由后期熱處理工藝進行改善，主要靠鍛造成型工藝進行控制.所以，GH4169合金鍛件的成型工藝直接決定鍛件的機械性能.[2]

本文利用Deform3D對某型號航空發動機渦輪盤鍛造成型過程進行仿真模擬研究，為優化渦輪盤鍛造工藝、研究GH4169的熱塑性變形行為提供理論依據.

模擬模具的初始溫度設置為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，同時塑性變形使工件的變形功轉化為熱能.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也增強，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域.變形速度的增加，使模具和工件的接觸時間縮短，熱傳遞時間也縮短，工件整體溫度升高.因此，在實際鍛造生產過程中，要合理選擇變形速度，避免局部溫度過高，從而產生局部粗晶現象，影響渦輪盤的機械性能.

當摩擦因子為0.3，溫度為1 040 ℃時不同變形速度對等效應力的影響見圖5，可知，隨著變形速度的增加，輪盤的等效應力明顯增加

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

當摩擦因子為0.3，變形速度為20 mm/s時不同的變形溫度對工件等效應力的影響見圖7，由圖7可知，等效應變隨變形溫度的升高而顯著降低.在變形結束時刻，當變形溫度為980，1 000，1 040和1 100 ℃時，工件的最高等效應力分別為496，426，407和370 MPa.等效應變和應力隨溫度的升高不斷發生變化，這些都可以看做是材料變形能力的變化，其原因是：溫度的升高增強原子的擴散能力，增加晶界的遷移能力，使材料更容易發生動態回復和再結晶，抵消由位錯產生的加工硬化，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.雖然當變形速度不同時，工件的等效應變、等效應力存在差異，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，則是高應變速率使工件組織的回復和再結晶過程不夠充分.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，導致工件的溫度降低和高應變速率的硬化機制不能發揮主導作用，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，首先應考慮合理的鍛造溫度區間的選擇.溫度的選擇一方面要保證組織能夠發生普遍明顯的動態再結晶，使組織晶粒度均勻，避免出現混晶現象；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，從而產生局部粗晶現象卻是GH4169合金渦輪盤加工過程中的常見現象，因此，在合理選擇變形溫度的基礎上，選擇適當的變形速度能進一步改善變形的均勻性，提高工件的性能.

4結論

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

（2）較高的變形速度可以減少工件與模具的接觸時間，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生局部溫度過高，造成局部粗晶現象.

（3）較高的變形溫度使材料的恢復與再結晶變得更容易，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晶后的晶粒增大，影響工件的機械性能.參考文獻：

[1]王會陽， 安云岐， 李承宇， 等. 鎳基高溫合金材料的研究進展[J]. 材料導報， 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，首先應考慮合理的鍛造溫度區間的選擇.溫度的選擇一方面要保證組織能夠發生普遍明顯的動態再結晶，使組織晶粒度均勻，避免出現混晶現象；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，從而產生局部粗晶現象卻是GH4169合金渦輪盤加工過程中的常見現象，因此，在合理選擇變形溫度的基礎上，選擇適當的變形速度能進一步改善變形的均勻性，提高工件的性能.

4結論

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

（2）較高的變形速度可以減少工件與模具的接觸時間，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生局部溫度過高，造成局部粗晶現象.

（3）較高的變形溫度使材料的恢復與再結晶變得更容易，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晶后的晶粒增大，影響工件的機械性能.參考文獻：

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因此，在GH4169合金渦輪盤的鍛造過程中，首先應考慮合理的鍛造溫度區間的選擇.溫度的選擇一方面要保證組織能夠發生普遍明顯的動態再結晶，使組織晶粒度均勻，避免出現混晶現象；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，從而產生局部粗晶現象卻是GH4169合金渦輪盤加工過程中的常見現象，因此，在合理選擇變形溫度的基礎上，選擇適當的變形速度能進一步改善變形的均勻性，提高工件的性能.

4結論

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

（2）較高的變形速度可以減少工件與模具的接觸時間，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生局部溫度過高，造成局部粗晶現象.

（3）較高的變形溫度使材料的恢復與再結晶變得更容易，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晶后的晶粒增大，影響工件的機械性能.參考文獻：

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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行為的研究[J]. 航空材料工藝， 1998（2）： 3638.

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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）