鎳基高溫合金渦輪盤成形工藝的數值模擬分析實踐探究

潘馨哲

（長沙理工大學，湖南 長沙 410114）

在航空發動機高速發展的今天，航空渦輪盤作為航空發動機的重要熱端部件，渦輪盤運行環境的苛刻性較強，將經過高溫、高壓、高轉速等，這也對渦輪盤的各項性能提出了較高要求。在渦輪盤制作過程中，所使用到的材料主要以鎳基高溫合金為主，依據仿真技術提供的便利條件，對于渦輪盤成形工藝進行梳理，能夠積累相應的應用經驗，并為成形工藝參數優化提供可靠依據。鎳基合金根據其耐高溫，耐高壓的優良性能作為優良的渦輪盤制造材料，本文以優化其制造工藝為目的，對其進行細致分析。

1 渦輪盤鍛件尺寸形狀及主要技術指標要求

根據以往應用經驗可知，渦輪盤作為發動機核心部件，要求部件在應用中具有良好的工作性能。在對渦輪盤進行制作時，所制作的鍛件最大外形尺寸為φ630mm×140mm，而用于制作渦輪盤的材料為鎳基高溫合金。總結以往應用經驗，渦輪盤鍛件在使用時的重要技術指標如下：（1）從鍛件取樣時選擇縱向低倍試樣，所選試樣不能存在針孔、裂紋、偏析等缺陷；（2）從鍛件試驗件上切除試樣進行晶粒度的測定，要求平均晶粒度在10級或更細的狀態；（3）力學性能，渦輪盤鍛件的力學性能指標如表1所示。

表1 渦輪盤鍛件的力學性能指標

2 渦輪盤成形工藝的數值模擬實踐要點

2.1 實驗材料整理

在此次進行模擬仿真實驗時，所選實驗材料為鎳基高溫合金，該合金中的各組分質量分數如下：C-0.03%、Cr-16.0%、Co-13.0%、Fe-0.03%、Ti-3.7%、Al-2.1%、Nb-0.7%、Mo-4.0%、W-4.0%、Ni為余量。在成形工藝的應用中多使用真空感應+真空自耗雙真空冶煉工藝進行制作，在經過多段均勻化處理后，可進行試樣的制備處理。同時在高溫流動應力熱模擬實驗會選擇在Gleeble-3800上進行，所使用到的試樣尺寸類型為φ8mm×12mm。在具體實驗過程中可以將試樣以20℃/s的速率進行加熱，加熱溫度最終數值為1200℃，維持該溫度2min，隨后會以5℃/s的速率進行降溫，降溫溫度最終數值為1150℃、1100℃、1050℃、1000℃、950℃、900℃、800℃，每個階梯溫度維持2min，從而讓試樣內部溫度處于均勻化狀態，隨后會按梯度速率分別測量其應力和應變值，從而統計相應的分析數據。

2.2 成形工藝建模

在零件性質上來看，渦輪盤屬于一種短軸類零件。經過上述鍛件處理后，可以得到φ311mm×79mm的渦輪盤，基于渦輪盤來建立毛坯與鍛造模具的幾何模型，同時對其參數進行裝配，做好網格的劃分工作，完成上述處理后會直接將其錄入有限元分析軟件中，對于渦輪盤材料進行定義。最后，還需要對鍛造工藝的邊界條件進行確定，內容包括溫度條件、鍛造速率、熱摩擦因數等，從而將得到的數值分析模型提交給求解器進行處理，最終對整個熱成形過程進行數值模擬分析。

2.3 模擬結果整理

2.3.1 變形量影響

在具體的模擬實驗中，需要對不同變形量情況下，對于晶粒尺寸的最小值、最大值、平均值進行統計。根據獲取的相關數據可以得出以下結論：（1）在變形量處于不斷增加的狀態時，晶粒尺寸的平均值則會處于不斷減小的狀態。而變形量數值達到50%時，此時，晶粒尺寸細化便會出現轉折，該情況下的晶粒也會處于急速細化的狀態，而低于該數值時的晶粒細化程度處于不明顯的狀態。（2）不同結構變形量存在一定差異，其對應的晶粒尺寸分布情況也存在一定差異，根據得到的模擬分析結果可以得出以下結論：①輪芯部位的變形量增加的情況下，晶粒尺寸會先處于減小的狀態，隨后其尺寸會處于增大的狀態，最后到達某數值后會處于不變的情況。②輻板和輪轂中心部位的變形量增加的情況下，晶粒尺寸會先處于先減小后增大，最后到達某數值后會處于不變的狀態。不同點在于，兩類結構出現的結晶的時間要晚于輪芯部位，并且會處于動態平衡的情況。③輪轂上下與模具接觸的表面，晶粒尺寸會先處于持續減小的狀態，但是其晶粒尺寸細化程度會小于其他部位。

2.3.2 變形速率影響

在具體的模擬實驗中，也需要對不同變形速率情況下，平均晶粒尺寸的分布情況進行統計。根據獲取的相關數據可以得出以下結論：在變形速率處于不斷增加的狀態時，平均晶粒尺寸的分布狀態則會處于不斷增加的狀態。并且在此次模擬實驗活動中，變形速率為0.1mm/s、1.0mm/s、10mm/s、20mm/s，當模擬實驗過程中的變形速率從0.1mm/s增加到1.0mm/s時，此時，完全動態再結晶的區域增加過程的顯著性較強；在變形速率從1.0mm/s增加到10mm/s時，此時，完全動態再結晶的區域增加過程顯著性逐漸變緩；在變形速率從10mm/s增加到20mm/s時，此時，完全動態再結晶的區域增加過程顯著性不再變化。而且在變形速率不斷增加的情況下，晶粒尺寸也會逐漸降低，并且其在渦輪盤上的分布差異性也會不斷減小，由此可見，在整個鍛造活動中所選鍛造速率需要超過1.0mm/s，從而對晶粒尺寸進行順利細化。

2.3.3 變形溫度影響

在具體的模擬實驗中，也需要對不同變形溫度情況下，動態再結晶情況和平均晶粒尺寸分布情況進行統計。根據獲取的相關數據可以得出以下結論：在變形溫度處于不斷增加的狀態時，平均晶粒尺寸的分布狀態和動態再結晶情況會處于不斷增加的狀態。在此次模擬實驗活動中，變形溫度為1150℃、1100℃、1050℃、1000℃、950℃、900℃、800℃，當模擬實驗過程中的變形溫度從800℃增加到1000℃時，此時，完全動態再結晶區域增加過程處于顯著性不明顯的情況，平均晶粒尺寸的波動性相對較小；在變形溫度從1000℃增加到1150℃時，此時，完全動態再結晶區域增加過程處于顯著性較強的情況，平均晶粒尺寸的波動性相對較大。其中，在變形溫度從1050℃增加到1100℃時，完全動態再結晶區域的顯著性更強，超過該范圍后，其顯著變化情況的波動范圍相對較小。

2.4 等效應變分析

2.4.1 溫度影響

在具體的模擬實驗中，對不同溫度情況下，結構等效應變數據進行統計。具體得到的統計數據如表2所示。根據獲取到的相關數據可以得出以下結論：當高徑比為1.25時，此時，在不同溫度情況下，結構等效應變力會處于先增加后減小的趨勢。造成此類情況出現的原因在于，渦輪盤靠近上下表面會和模具處于直接連接的狀態，整體處于較難變形的區域，在此情況下的等效應變相對較小。而渦輪盤的中心位置處于位移0.6mm左右的位置，在該位置金屬也會向著四周進行流動，并且會充填整個渦輪直榫所對應的上下角隅等部位，該區域屬于易變形區，即該此處產生的等效應會處于較大的狀態。而且在路徑上等效應變也會隨著位移的不斷增大，并處于先增大隨后再減小的狀態。

表2 不同溫度下結構等效應變數據

2.4.2 高徑比影響

在具體的模擬實驗中，也需要對不同高徑比情況下，結構等效應變數據進行統計。具體得到的統計數據如表3所示。根據獲取的相關數據可以得出以下結論：當溫度為1100℃時，此時，在不同高徑比情況下，結構等效應變力會處于先增加后減小的趨勢。造成此類情況出現的原因在于，高徑比越大，所對應的變形程度也越大，而整個結構的難變形區會集中在路徑的起點和終點，而易變形區會集中在中點的位置，而且該位置屬于變形較為劇烈的區域，整體變形程度相對較高，并且在高徑比持續增加的情況下，變形的不均勻度也會不斷增加。

表3 1100℃下不同高徑比情況下結構等效應變數據

2.4.3 壓下量

除上述提到的分析內容外，還需要分析不同壓下量狀態下，等效應變的波動情況。根據獲取的相關數據可以得知，在不同壓下量情況下，結構等效應變力會處于先增加后減小的趨勢。雖然其變化趨勢基本一致，但是其變化程度卻處于不同的狀態，在壓下量數值為50%時，其整體的等效應變數值相對較小。而且此情況下，其對應的等效應變也會不斷增加，在壓下量數值達到100%時，那么，在此情況下，相應位置的等效應變也會達到最大數值。原因在于，在壓下量為50%的階段，結構整體的形變量相對較小，因此所對應的等效應變也相對較小。在壓下量不斷增加的情況下，渦輪盤的變形量也不斷增大，所對應的變形不均勻度也不斷增大，在此情況下，金屬也會出現大塑性形變，帶來較大的等效應變。

2.5 模型驗證分析

基于上述數值模擬分析得到的數據可以得知，變形工藝參數將對渦輪盤鍛造質量帶來較為直接的影響。在具體的分析中可以使用應變量、應變速率、變形溫度等參數來分析晶粒尺寸、應變效果等內容，從而表明了進行模型建立的意義。為了進一步驗證所建立模型的精準度，在具體的實驗活動中，也會對不同變形工藝條件下的相關參數進行驗證分析，包括動態再結晶區域波動、應變波動情況、晶粒尺寸均值等。隨后會將模擬結果和實驗結果進行對比分析，為提高所得分析結果的直觀性和準確性，也會利用關系式來搭建相應的本構模型，過程中也需要綜合考慮具體應變量、變形溫度以及應變速率對于材料微觀組織演化的影響。最后，根據所得數據可以得知，所建立模型對應的最大誤差值為5.6%，而且實驗過程中的各個帶都會均勻分布在回歸線附近，表明所建立模型計算值會和實驗值之間保持良好的契合度。

3 結語

綜上所述，根據實驗結果可以得知，在渦輪盤鍛造過程中，如果整個過程的溫度處于1000～1150℃，此狀態下完全動態再結晶分布區域也處于不斷增加的情況，但是，在1100～1150℃的區間內，其完全動態再結晶區域的分布無明顯差異，因此生產時應將溫度控制在1100℃，保證生產質量的同時，減少資源損耗量。