GH4169材料實際反擠壓與數值模擬分析對比研究

2018-09-04 03:37:58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

鍛造與沖壓 2018年17期

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，尤為在發動機領域應用較多。隨著發動機領域不斷向前發展，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。在現代航空發動機制造工業中，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

坯料從模孔中流出部分的運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。可以降低坯料在轉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等邊界條件參數見表1。

表1 邊界條件參數設置

材料數據

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

模擬數據結果

溫度場數據顯示，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，后續過程中壓力小幅度上升。擠壓力曲線呈現明顯兩個階段，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，后續過程中壓力小幅度上升。與模擬結果一樣，擠壓力曲線呈現明顯兩個階段，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上升。最終擠壓成品如圖10所示。