GH738合金数值模拟材料数据库的建立

文/佗劲红，关红，谭志刚，闵慧娜·中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司

GH738合金数值模拟材料数据库的建立

文/佗劲红，关红，谭志刚，闵慧娜·中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司

佗劲红，毕业于东北大学材料与工程专业，工学硕士，主要从事叶片CAD开发及锻造成形数值模拟研究工作，申报发明专利5项，发表论文10余篇。

采用MMS-300型热模拟试验机对GH738合金热变形过程（温度范围为1030～1170℃，应变速率为0.1～10s-1，应变为0.5）进行了实验研究，获得合金的应变速率、等效应变和变形温度变化的数据，用户通过自定义新材料，将真应力-真应变曲线数据和物理参数输入DEFORM软件中，建立了GH738合金的材料数据库，为同类材料的数值模拟提供了可靠的数据。采用该材料数据库对GH738合金低压一级涡轮盘进行了等温锻造成形数值模拟，分析了不同压下速率下锻件的温度场、等效应变场变化，为分析GH738合金锻件组织不均匀的原因提供参考。

GH738合金（相近美国牌号为Waspaloy）是一种以γ′相沉淀强化的镍基高温合金，具有良好的耐腐蚀能力、较高的屈服强度和疲劳性能，工艺塑性良好，组织稳定。广泛用于航空发动机转动部件，使用温度不高于815℃。

20世纪七十年代，有限元模拟技术开始了在金属塑性成形中的应用研究。近年来在国外一些大型企业中，数值模拟技术已经成为金属成形工艺设计中的必须工具，众多学者对有限元数值模拟进行了深入研究。随着计算机技术的迅猛发展及有限元技术的完善和发展，基于有限元的数值模拟方法已成为研究塑性成形问题的强有力工具，由于模拟软件材料数据库中的合金流动应力曲线是通过插值和外推的方法得到的，并且用于确定一条流动应力曲线的数据点过少，致使数值模拟的结果与实验所得结果相差较大，随着应变的增加，流动应力曲线的误差也逐渐增大。一般的塑性成形过程，变形比较大，使用不准确的材料模型将严重影响数值模拟的精度。因此，建立准确的材料数据库是保证有限元仿真精度的前提条件。本文选取GH738合金为载体，进行了不同温度、不同变形速率的热压缩实验，建立了基于DEFORM软件的材料数据库，为该类材料的数值模拟提供了准确的材料数据库，对于分析材料变形特征，优化成形工艺具有重要意义。

实验材料及方法

实验材料及前处理

实验用材料为GH738合金，通过数控线切割机加工成φ8mm×15mm的圆柱体热压缩试样。实验用料取自锻件，锻件的热处理制度为：（980±15）℃，保温1h→空冷或快冷→（775±15）℃，保温12h→55℃/h的速度炉冷→（620±15）℃，保温8h→空冷。

热压缩实验

采用东北大学重点实验室自主研发的MMS-300型热模拟试验机对GH738合金样品进行热压缩处理。MMS-300型热模拟试验机不仅能够以恒应变速率进行精确的变形，而且具有良好的真空度控制，采用高纯氮气作为保护气体。将试样以10℃/s的速率加热至不同的变形温度，保温3min以消除试样内部的温度梯度，使试样内外温差一致。再以不同的应变速率对试样进行单道次压缩变形。实验的变形温度有1030℃、1120℃、1170℃，应变速率为0.1s-1、1s-1、10s-1，压下率为0.5；压缩后的试样立即进行水冷。热压缩工艺曲线如图1所示。变形过程中系统自动采集真应力、真应变以及变形温度等数据（如图2），并以excel数据表格文件和txt文本文件格式存储至电脑中。

图1 热压缩工艺制度曲线

图2 MMS-300自动采集实验数据界面

实验数据采用Origin软件进行分析处理，将热模拟实验得到的真应力、真应变数据导入到软件中，作出曲线如图3所示。

实验结果分析

变形温度对流动应力的影响

从变形速率为0.1s-1时GH738合金的真应力—真应变曲线可知，随着变形温度的升高，其稳态流变应力明显降低；其原因在于随着温度升高，材料的原子动能增加，热运动加剧，原子间的结合力减弱，使得临界剪应力降低，因此在高温下可能出现新的滑移系，使塑性变形更容易发生；另一方面，随着温度升高，不仅原子具有很大的活动能力，位错也开始发生交滑移和攀移，异号位错运动过程中相互吸引而抵消，使位错密度降低，从而使合金的软化程度增加；较高的温度还有利于位错运动和晶界迁移，使晶核长大的速度增加，进而加快动态再结晶过程，加强了动态再结晶的软化作用；故在同一变形速率下，温度越高，对GH738合金的软化作用越强，且动态再结晶完成速度越快。

图3 不同应变速率下的GH738合金真应力—真应变曲线

应变速率对流动应力的影响

当变形温度为1120℃，变形速率不同时的GH738合金热模拟压缩实验的真应力—真应变曲线如图3c所示。图中可看出，随着应变速率的增加，相同应变对应的真应力显著增大；当变形速率为0.1mm/s时，峰值应力为155.9MPa；当变形速率为10mm/ s时，峰值应力为368.7MPa。其原因在于随应变速率升高，变形时间缩短，从而塑性变形时位错运动与位错攀移发生与发展的时间不充分，因此合金内位错来不及扩散导致位错塞积严重，从而致使变形抗力增加。

从图3c中还可以看出，随着变形速率的增加，峰值应力对应的峰值应变也逐渐增大，一般认为发生动态再结晶时的临界应变与峰值应变成正比例关系，这意味着应变速率越快，动态再结晶的启动越困难。

建立材料数据库

定义材料流动应力曲线

DEFORM-3D允许用户通过输入数据的形式来定义材料的塑性流动行为。如图4所示，根据热模拟实验得到的变形过程中真应力—真应变曲线，取若干个点，逐个输入材料在某个温度、某个变形速率和某个真应变下的真应力。该方法的优点是既不用求取材料的本构模型，也不用进行二次开发，就可以定义材料的流变行为。同时若数据点输入较多，得到的精度比输入函数形式的本构方程要精确得多。

图4 用户自定义材料流动应力曲线界面

其他参数

Deform-3D软件中用户通过新建材料，逐项输入相应的物理参数，如热导率、比热容、线膨胀系数、弹性模量等，完成输入后单击保存按钮，将自动生成KEY文件，该KEY文件即为用户自定义材料数据库，存在UserDataLibMaterialDefault目录下。

典型件模拟

模型输入

选取GH738合金低压一级涡轮盘为典型件进行等温锻造成形数值模拟，对模具和坯料采用绘图软件UG进行三维实体造型，将图形以STL格式保存，导入Deform-3D前处理器中。由于Deform-3D对位置的调整等功能不是很强，操作不方便，因此预先用UG把上下模和坯料的位置调整好，导入Deform-3D软件后只需进行接触微调。

本文模拟的GH738合金低压一级涡轮盘锻造过程模拟的有限元模型见图5。

图5 有限元模型

材料定义

在材料成形过程中，模具一般只发生微小的弹性变形，模拟时可以忽略，将模具看作刚体，可以不对模具进行材料定义，Deform-3D软件模拟模具都按刚体处理，可以提高计算速度。工件材料从我们自定义的材料数据库中直接添加。

模拟参数的设定

锻造过程模拟参数包括工/模具材料、模具预热温度、锻造温度、锻造速度和摩擦条件等。加热温度1120℃，模具温度940℃，环境温度20℃，模具与工件之间的摩擦因子取0.3，换热系数为0.02N/sec/ mm/℃，上模速度分别为0.1mm/s、0.5 mm/s、1mm/s。为了保证几何模型的离散和计算精度，采用四面体网格进行几何体的网格划分，本文定义网格数为100000，采用初始单元最小网格尺寸的十分之一作为步长。

模拟结果

利用Deform-3D的后处理功能，可以直观地观察到在变形过程中锻件的外形、内部的温度场、等效应力场、等效塑性应变场和等效应变速率场等各种场变量的变化情况，从而可对整个成形过程进行分析、检验和评价。采用不同压下速率（0.1mm/s、0.5 mm/s、1mm/s）分别进行等温锻造成形数值模拟，模拟结果如下：

⑴压下速度为0.1mm/s。

采用压下速度为0.1mm/s进行等温锻造成形数值模拟，最终模锻件的温度如图6所示，绿色区域温度为：990℃～1100℃，淡蓝色区域温度为：970℃～980℃，深蓝色区域温度为：940℃～960℃。由于压下速度小，总的锻造时间较长，总锻造时间1765s，导致最终锻件的温度基本和模具的温度接近在960℃左右，这与实际不符。由此说明实际的压下速度要比0.1mm/s大。

图6 压下速度为0.1mm/s，终锻件温度场分布

⑵压下速度为0.5mm/s。

采用压下速度为0.5mm/s进行等温锻造成形数值模拟，最终模锻件的温度如图7所示，总锻造时间179s，绿色区域温度为1030～1050℃，淡蓝色区域温度为1000～1010℃，深蓝色区域温度为970～980℃。

图7 终锻件温度场分布

等效应变如图8所示，从图8中可以看出锻件厚度较大的位置等效应变比较小，厚度小的位置等效应变相对要大一些，这与锻件不同位置的实际变形量相接近。

图8 终锻件等效应变分布

⑶压下速度为1mm/s。

采用压下速度为1mm/s进行等温锻造成形数值模拟，最终模锻件的温度如图9所示，低温范围为960～990℃，浅蓝色区域的温度为1010～1050℃，局部角的温度最高达到1120℃，整个锻造过程时间为92s。终锻件剖面上取P1～P10共10点，观察其温度变化，根据各取样点在整个锻造过程中的温度图可知P1、P8和P9位置处有明显的温升，有可能出现大晶粒导致混晶的出现。

图9 压下速度为1mm/s，终锻件温度场分布

结论

⑴通过对GH738合金的热压缩实验，得到了不同变形温度、不同应变速率下的真应力—真应变曲线，用户通过自定义新材料，将真应力—真应变曲线数据和材料物理参数输入软件中，生成材料数据的KEY文件，从而建立了GH738合金材料的数据库，为该类合金的锻造成形数值模拟提供了准确的材料数据，提高了数值模拟的精度。

⑵等温锻造速度应该控制在0.5～1mm/s范围内，为了得到组织状态较好的锻件要对变形量进行控制，这就需要研究预制坯的形状，上述模拟采用的预制坯结构不太合理是导致晶粒不均匀的原因。