GH4169合金涡轮盘锻造成型的数值模拟和分析

陈文豪等

摘要： 利用Gleeble3500型热模拟试验机研究GH4169合金在不同温度和变形速度下的热变形行为，建立该合金的高温流变应力模型.用Deform3D对GH4169镍基高温合金涡轮盘锻造成型过程进行数值模拟，比较不同变形速度和不同变形温度下工件的变形行为.结果表明：相对于变形速度，变形温度对锻件性能的影响更加明显；较高的变形温度有利于材料的动态恢复和再结晶，使组织均匀，但过高的终锻温度会使晶粒尺寸变大，进而影响涡轮盘的机械性能.

关键词： 航空发动机； 涡轮盘； 镍基高温合金； 锻造成型； 变形温度； 晶粒尺寸； 数值模拟

中图分类号： V232.3；TB115.1文献标志码： 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作为一种常见的航空发动机用镍基高温合金，在-253～650 ℃下具有高强度、高疲劳性能和良好的塑性，是目前应用广泛的一种高温合金，占世界上高温合金产品的35%～40%.[1]但是，GH4169合金在锻造成型时，具有高温塑性低、变形抗力大、可锻温度范围窄、导热性差等缺点，且锻件的晶粒尺寸无法由后期热处理工艺进行改善，主要靠锻造成型工艺进行控制.所以，GH4169合金锻件的成型工艺直接决定锻件的机械性能.[2]

本文利用Deform3D对某型号航空发动机涡轮盘锻造成型过程进行仿真模拟研究，为优化涡轮盘锻造工艺、研究GH4169的热塑性变形行为提供理论依据.

模拟模具的初始温度设置为980 ℃.在变形初始，模具与工件直接存在60 ℃的温度差.在变形过程中，工件不断向模具散热，接触表面温度下降，同时塑性变形使工件的变形功转化为热能.模具和工件之间的摩擦也随着接触面积的增加而不断增大，由摩擦引起的热效应也增强，从而使工件温度不断上升，尤其是飞边和轮缘这些变形最激烈的区域.变形速度的增加，使模具和工件的接触时间缩短，热传递时间也缩短，工件整体温度升高.因此，在实际锻造生产过程中，要合理选择变形速度，避免局部温度过高，从而产生局部粗晶现象，影响涡轮盘的机械性能.

当摩擦因子为0.3，温度为1 040 ℃时不同变形速度对等效应力的影响见图5，可知，随着变形速度的增加，轮盘的等效应力明显增加

由图6可知，随着温度的升高，工件的等效应变不断增加.当变形温度从980 ℃升高到1 100 ℃时，等效应变也从4.55增加到7.21，即材料的流动性得到显著改善.

当摩擦因子为0.3，变形速度为20 mm/s时不同的变形温度对工件等效应力的影响见图7，由图7可知，等效应变随变形温度的升高而显著降低.在变形结束时刻，当变形温度为980，1 000，1 040和1 100 ℃时，工件的最高等效应力分别为496，426，407和370 MPa.等效应变和应力随温度的升高不断发生变化，这些都可以看做是材料变形能力的变化，其原因是：温度的升高增强原子的扩散能力，增加晶界的迁移能力，使材料更容易发生动态回复和再结晶，抵消由位错产生的加工硬化，提高材料的塑性，使变形更容易.

通过对上述不同加工条件的分析可以看出，温度对GH4169合金的变形影响更大.虽然当变形速度不同时，工件的等效应变、等效应力存在差异，但通常造成这种差异的原因除变形速度不同造成的温度降不同以外，则是高应变速率使工件组织的回复和再结晶过程不够充分.在本次模拟过程中，工件与模具都处在较高的温度中，散热很少，导致工件的温度降低和高应变速率的硬化机制不能发挥主导作用，从而显著地影响工件的变形抗力.

因此，在GH4169合金涡轮盘的锻造过程中，首先应考虑合理的锻造温度区间的选择.温度的选择一方面要保证组织能够发生普遍明显的动态再结晶，使组织晶粒度均匀，避免出现混晶现象；另一方面要考虑晶粒的尺寸，避免温度过高，使晶粒过分长大.其次，虽然变形速度对加工过程的影响相对变形温度产生的影响较小，但因变形速率过高而造成工件局部过热，从而产生局部粗晶现象却是GH4169合金涡轮盘加工过程中的常见现象，因此，在合理选择变形温度的基础上，选择适当的变形速度能进一步改善变形的均匀性，提高工件的性能.

4结论

（1）通过GH4169合金的等温恒应变速率压缩试验，确定该合金在高温下的双曲正弦流变应力模型，并通过实例模拟验证该模型在数值模拟过程中能够准确反映GH4169合金在不同加工条件下的变形规律.

（2）较高的变形速度可以减少工件与模具的接触时间，使工件的散热减少，温度场分布更均匀；但过大的变形速度会使工件产生局部温度过高，造成局部粗晶现象.

（3）较高的变形温度使材料的恢复与再结晶变得更容易，使工件塑性更好，变形更均匀充分；但过高的终锻温度会使再结晶后的晶粒增大，影响工件的机械性能.参考文献：

[1]王会阳， 安云岐， 李承宇， 等. 镍基高温合金材料的研究进展[J]. 材料导报， 2011（25）： 482486.

WANG Huiyang， AN Yunqi， LI Chengyu， et al. Research progress of Nibased superalloy[J]. Mat Rev， 2011（25）： 482486.

[2]刘润广， 蒋浩民， 姜勇， 等. GH4169合金超塑性变形及其力学行为的研究[J]. 航空材料工艺， 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.（编辑武晓英）

因此，在GH4169合金涡轮盘的锻造过程中，首先应考虑合理的锻造温度区间的选择.温度的选择一方面要保证组织能够发生普遍明显的动态再结晶，使组织晶粒度均匀，避免出现混晶现象；另一方面要考虑晶粒的尺寸，避免温度过高，使晶粒过分长大.其次，虽然变形速度对加工过程的影响相对变形温度产生的影响较小，但因变形速率过高而造成工件局部过热，从而产生局部粗晶现象却是GH4169合金涡轮盘加工过程中的常见现象，因此，在合理选择变形温度的基础上，选择适当的变形速度能进一步改善变形的均匀性，提高工件的性能.

4结论

（1）通过GH4169合金的等温恒应变速率压缩试验，确定该合金在高温下的双曲正弦流变应力模型，并通过实例模拟验证该模型在数值模拟过程中能够准确反映GH4169合金在不同加工条件下的变形规律.

（2）较高的变形速度可以减少工件与模具的接触时间，使工件的散热减少，温度场分布更均匀；但过大的变形速度会使工件产生局部温度过高，造成局部粗晶现象.

（3）较高的变形温度使材料的恢复与再结晶变得更容易，使工件塑性更好，变形更均匀充分；但过高的终锻温度会使再结晶后的晶粒增大，影响工件的机械性能.参考文献：

[1]王会阳， 安云岐， 李承宇， 等. 镍基高温合金材料的研究进展[J]. 材料导报， 2011（25）： 482486.

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[2]刘润广， 蒋浩民， 姜勇， 等. GH4169合金超塑性变形及其力学行为的研究[J]. 航空材料工艺， 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.

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[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.（编辑武晓英）

因此，在GH4169合金涡轮盘的锻造过程中，首先应考虑合理的锻造温度区间的选择.温度的选择一方面要保证组织能够发生普遍明显的动态再结晶，使组织晶粒度均匀，避免出现混晶现象；另一方面要考虑晶粒的尺寸，避免温度过高，使晶粒过分长大.其次，虽然变形速度对加工过程的影响相对变形温度产生的影响较小，但因变形速率过高而造成工件局部过热，从而产生局部粗晶现象却是GH4169合金涡轮盘加工过程中的常见现象，因此，在合理选择变形温度的基础上，选择适当的变形速度能进一步改善变形的均匀性，提高工件的性能.

4结论

（1）通过GH4169合金的等温恒应变速率压缩试验，确定该合金在高温下的双曲正弦流变应力模型，并通过实例模拟验证该模型在数值模拟过程中能够准确反映GH4169合金在不同加工条件下的变形规律.

（2）较高的变形速度可以减少工件与模具的接触时间，使工件的散热减少，温度场分布更均匀；但过大的变形速度会使工件产生局部温度过高，造成局部粗晶现象.

（3）较高的变形温度使材料的恢复与再结晶变得更容易，使工件塑性更好，变形更均匀充分；但过高的终锻温度会使再结晶后的晶粒增大，影响工件的机械性能.参考文献：

[1]王会阳， 安云岐， 李承宇， 等. 镍基高温合金材料的研究进展[J]. 材料导报， 2011（25）： 482486.

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[2]刘润广， 蒋浩民， 姜勇， 等. GH4169合金超塑性变形及其力学行为的研究[J]. 航空材料工艺， 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.（编辑武晓英）