AerMet100鋼鍛件鍛造過程的三維熱力耦合數值模擬和細晶化大型模鍛件研制

文/王海鵬·西安三角防務股份有限公司

某AerMet100鋼模鍛件外形復雜，組織性能要求高，晶粒度需達到ASTM 8級以上，這對成形火次、坯料設計、鍛造工藝參數提出了很高的要求。針對以上情況，本文建立了該AerMet100鋼鍛件鍛造過程的三維熱力耦合有限元模型，利用剛粘塑性有限元法，對鍛造火次對鍛件變形量的影響、不同坯料尺寸下鍛件的成形情況、變形過程中溫度場的場量分布和變化規律進行了研究。

AerMet100鋼是美國Carpenter技術公司在1992年開發的一種新型的超高強度鋼，其化學成分(wt%）為Fe-0.23C-11.73Ni-13.85Co-3.13Cr-1.25Mo。該合金具有突出的綜合性能：高強度、高斷裂韌性、抗疲勞、延展性好。其抗拉強度可達1930MPa以上，斷裂韌性超過了110MPa·m1/2，同時它還具有更加優良的抗應力腐蝕斷裂和抗疲勞斷裂的能力，是航空航天的理想材料。主要用于高強、高韌的起落架等零部件的制造上。

對于如何發掘AerMet100鋼的力學性能，達到強度和斷裂韌性的最佳匹配，國外學者進行了大量研究。最初，AerMet100鋼參數匹配為σb=1965MPa，KIC=115MPa·m1/2。后來，Reghavan等人通過優化工藝取得了 σb＞2000MPa，KIC=149.3MPa·m1/2。Lee 僅改進鍛造工藝實現了 σb=2069MPa，KIC＞121MPa·m1/2。KojiSato通過對鋼中夾雜物的改性使鋼的性能達到了σb=1946MPa，KIC=182.4MPa·m1/2。

國內對于提升AerMet100鋼綜合性能的研究基本都集中在對鋼中雜質元素和微量元素的控制上。對于采用數值模擬技術，通過優化鍛造工藝參數，借助大壓力的鍛造設備，獲得8級以上的細晶組織進而提升AerMet100鋼的綜合性能，目前還研究較少。

根據國內相關AerMet100鋼細晶化鍛造工藝指導文件，獲得具有優良組織力學性能的細晶鍛件的條件為：(a）成形溫度小于等于1050℃；(b）每火次坯料各部位變形量在30%以上。本文利用有限元軟件對某AerMet100鋼模鍛件的鍛造過程進行了數值模擬，分別對一火次和兩火次模鍛成形時坯料應變場的變化過程進行了研究，得到了優化的模鍛成形火次。并進而對優化成形火次下坯料的溫度場和成形情況進行了研究，得到了成形良好且滿足模鍛變形量要求的坯料，為生產工藝的制定提供了參考。在得到較優化的鍛造工藝參數和坯料的基礎上，利用400MN大型模鍛液壓機，在國內首次成功生產出了晶粒度滿足ASTM 8級要求的大型AerMet100鋼模鍛件，實現了AerMet100鋼細晶化鍛造技術的工程化，并將其力學性能提升到了新的高度。

有限元模型的建立

本文采用CATIA軟件實現了坯料和模具的幾何造型建模。模擬過程對坯料采用四節點四面體單元離散。材料的流變應力為鍛造溫度、應變速率和應變的函數，即。坯料的加熱溫度選為1040℃，模具溫度為300℃。由于鍛件變形為高溫大變形的過程，因而坯料的彈性變形可以忽略，采用剛粘塑性材料模型，模具設為剛性體。坯料與模具之間的摩擦采用剪切摩擦模型，鍛造過程采用水基石墨進行潤滑，摩擦因子取為0.3，坯料與模具間的換熱系數取為2.0N/sec/mm/℃，坯料與環境換熱系數取為0.02N/sec/mm/℃。鍛造設備為液壓機，速度選為10mm/s。圖1為建立的有限元模型。

數值模擬結果與分析

鍛造火次對鍛件變形量的影響

鍛造火次選取1火（方案1）和2火（方案2）。方案1欠壓量設定為5mm，方案2第一火欠壓設定為40mm，第二火欠壓設定為5mm，兩種方案均采用相同的坯料。

圖2為方案2成形結束后鍛件垂直于分模面的最大縱截面和典型橫截面的變形量分布圖，結合縱截面和橫截面的變形量分布圖可以看出，鍛件大頭部位（截面3位置）的變形量基本在30%以上且分布比較均勻，這是因為大頭部位尺寸大，第二火變形時坯料需和模具貼合，大量的金屬需通過流動排出型腔。桿部（截面1位置）分模面位置變形量也在30%以上，遠離分模面的部位變形量在20%以下，且小變形區深度較大，單側最大深度約為1/4桿部直徑，這是因為第一火時桿部遠離分模面的部位已經成形，第二火時此部分已經成為了剛性體，不參與變形。桿部第二火時的變形主要是分模面附近的金屬排出型腔，因此此處變形量大。桿部高臺處（截面2位置）基本上全部為變形量小于20%的小變形區，主要原因也是在第一火時此部位坯料已經和模具型腔貼合，第二火時為剛性體，基本不參與變形。

圖1 坯料和模具的幾何模型

圖2 方案2縱截面和典型橫截面的變形量分布

圖3 方案1縱截面和典型橫截面的變形量分布

圖3為方案1成形結束后鍛件垂直于分模面的最大縱截面和典型橫截面的變形量分布圖，結合縱截面和橫截面的變形量分布圖可以看出，鍛件分模面處變形量最大，基本在60%以上，垂直分模面方向有較大的應變梯度，桿部（截面1部位）大部分變形量都在30%以上，遠離分模面的上下表面有較淺的區域，其變形量在20%～30%之間。桿部高臺處（截面2部位）變形量基本在20%～40%之間。大頭部位（截面3處）變形量在40%以上。

由方案1和方案2的對比可以看出，在鍛件變形量的分布上，方案1鍛件很大部分變形量不能滿足AerMet100鋼細晶化鍛件對變形量的要求，因此建議采用方案2，即一火次成形工藝。

最優化坯料

坯料的設計應滿足兩個方面：⑴鍛件各部位成形完整；⑵鍛件各部位的變形量盡量達到30%以上。從相關數值模擬結果分析得出，鍛件桿部高臺（圖2截面2位置）處較難充滿型腔，同時變形量不容易達到要求。影響此部位成形質量和變形量分布的關鍵因素是此部位坯料的高度尺寸H，如圖4所示。因此，將H作為最優化坯料設計的關鍵參數進行數值模擬。

圖5為H取不同的值時，鍛件桿部高臺橫截面的變形量分布和成形情況。從圖5(a）可以看出，當H=330mm時，桿部高臺底部有未充滿現象，由于此處和模具沒有完全貼合，金屬沒有發生流動，有深度為5mm左右的小變形區。鍛件未充滿和變形量不足是因為H高度小，此處沒有足夠的金屬造成的。從圖5(b）可以看出，當H=350mm時，高臺處鍛件與模具完全貼合，成形良好。從變形量分布來看，高臺根部中間部位有一定范圍變形量在20%～30%之間，其余區域變形量均在30%以上，變形量基本滿足要求。此部位變形量分布中間小、周圍大的特點是因為此處坯料充填時，外形基本為方形的坯料需貼合到圓弧形的模具型腔上，因此坯料表面由于形狀的變化要發生較大的變形，而坯料內部金屬的變形基本上為表面金屬發生變形而帶動的整體移動，變形量有限。從圖5(c）可以看出，當H=380mm時，高臺處坯料金屬充足，成形良好。從變形量分布來看，高臺底部和根部中間都有一定區域變形量在10%以下，中間有較大范圍的變形量在20%～30%的區域，其余部位變形量在30%以上。變形量的分布是由于H尺寸大，坯料一放入型腔底部就接觸到了模具型腔并和模具型腔貼合，因此底部無法變形，形成了一定范圍的小變形區。周圍變形量大的原因也是因為較規則的坯料要貼合到圓弧形的模具型腔上，發生了一定的變形，H尺寸大，坯料表面很快就貼合到了模具型腔上，因此變形量不大，坯料內部也僅僅是表面金屬發生變形而帶動的整體移動，變形量很小。

圖4 尺寸H示意圖

圖5 H不同時高臺部位變形量分布

從不同H尺寸對鍛件成形性和變形量分布的分析可以得出結論：在數值模擬參數條件下，當H=350mm時，鍛件成形良好，變形量分布基本達到要求，為最佳方案。

一火次成形較多火次成形，鍛件表面夾傷等缺陷更難發現和排除，因此還應考慮到鍛件各部位不會出現夾傷等成形缺陷，數值模擬發現圖4所示A部位較容易發生夾傷。圖6為坯料在模擬和實物生產時出現的夾傷情況。在對坯料進行多次優化模擬后得到了不會出現夾傷等缺陷的較優化坯料，其最終成形情況如圖7所示。

溫度場變化情況

細晶化AerMet100鋼的成形溫度不能夠大于1050℃，因此對鍛造過程中鍛件各部位溫度變化和溫升情況進行研究是很有必要的。

圖6坯料成形時出現的夾傷情況

圖7 優化坯料成形時無夾傷現象

圖8為成形結束后鍛件垂直于分模面的最大縱截面和典型橫截面的溫度分布圖，結合縱截面和橫截面的溫度分布可以看出，鍛件內部溫度保持在990℃以上，表面有較薄的激冷層，溫度降低到了845℃～900℃之間，鍛件從內到外有較大的溫度梯度。為了考察鍛件內部的溫升情況，在圖8所示的鍛件橫截面上選取3個典型點，研究隨鍛造過程的進行，典型點溫度的變化情況。圖9為典型點的溫度變化曲線，可以看出在鍛造初始階段，鍛件心部溫度一直保持1040℃無變化，隨著鍛造過程的進行，鍛件心部開始產生較大的變形量，由于塑性變形產生熱量，心部溫度均先后開始升高，P3點溫升最大，其最大溫升為8℃，最高溫度沒有超過1050℃。當變形量到達一定程度時，塑性變形產生的熱量小于由于模具冷卻和坯料向環境散熱所損失的熱量，3個典型點的溫度均先后開始下降。

對鍛件內部溫度場的研究可以得出結論：在給定的工藝參數下，鍛件內部溫升有限，各部位溫度始終在1050℃以下。

AerMet100鋼細晶化大型模鍛件研制

使用上述較優化的工藝參數和坯料，在西安三角防務400MN模鍛液壓機上試制了兩批次某型飛機AerMet100鋼起落架模鍛件。試制結果表明，鍛件成形良好，無折疊、夾傷等缺陷，表面質量好。鍛件心部和表面均達到了8級以上的晶粒度，綜合性能全面達標。

表1為AerMet100鋼起落架模鍛件力學性能，可以看出，兩批次模鍛件均達到了優良的綜合性能，尤其在只優化鍛造工藝參數的基礎上，首次在國內取得了 σb＞1950MPa，KIC＞150MPa·m1/2，具有優良綜合性能的細晶化大型AerMet100鋼模鍛件。

圖8 縱截面和典型橫截面的溫度分布

表1 AerMet100鋼模鍛件力學性能

圖9 典型點溫度變化曲線

結論

⑴針對實際生產問題，建立了某AerMet100鋼鍛件鍛造過程的三維熱力耦合有限元模型，利用有限元軟件對鍛件的鍛造過程進行了數值模擬，模擬計算結果與實際相符。

⑵模擬結果表明：一火次模鍛成形時，鍛件變形量分布較均勻，基本能夠滿足30%的變形量要求；兩火次成形時，鍛件表面有相當大的區域變形量在20%以下。因此，建議模鍛采用一火次成形工藝。

⑶采用模擬優化得到的坯料，1040℃的變形溫度、10mm/s的變形速度、一火次模鍛成形可得到成形良好、溫度場和應變場基本滿足要求的鍛件。

⑷采用得到的較優化的工藝參數，在西安三角防務400MN模鍛液壓機上試制了兩批次某型飛機AerMet100鋼起落架模鍛件。試制結果表明，鍛件成形良好，無表面缺陷，鍛件心部和表面均達到了8級以上的晶粒度。在優化鍛造工藝參數的基礎上，首次在國內取得了 σb＞1950MPa，KIC＞150MPa·m1/2，具有優良綜合性能的細晶化大型AerMet100鋼模鍛件，模擬結果能夠有效指導實際生產。