粉末涡轮盘关键热工艺的建模仿真

2023-07-05姜嘉赢王志彪陈阳王悦张皓彭子超田高峰王旭青中国航发航材院

航空动力 2023年3期

■ 姜嘉赢王志彪陈阳王悦张皓彭子超田高峰王旭青/中国航发航材院

粉末涡轮盘是航空发动机中最为关键的热端部件之一，制备过程十分复杂，导致工艺设计及迭代优化过程非常困难。借助建模仿真可以加速这一过程，从而缩短周期、降低成本、提高工艺稳定性，以确保“一次把事情做对”。

航空发动机涡轮盘的制备多采用粉末冶金工艺，以解决合金材料的成分偏析、性能分散等问题，但是其制造流程长、热工艺多而复杂、产品状态多变，导致工艺设计及迭代优化非常困难。建模仿真技术借助数字化手段对物理过程进行虚拟再现，而后迭代优化，以达到缩短周期、降低成本和提高工艺稳定性等目标，目前在粉末盘的研制中已经得到了一定程度的应用。但是，热工艺模拟作为一项世界性难题，仍存在模型精确度不高、置信度较差、唯象性较强等问题，且不同工序间的数据流尚未打通。创新团队以等温锻造和热处理这两个关键热工艺过程为研究对象，通过获取材料本征数据来建立高精度数学模型，通过统一编程语言来串联不同工序间的数据流，使得建模仿真技术在粉末涡轮盘制备工艺中实现了更深层次的应用。

总体思路

建模仿真的基础应用范式比较依赖经验数据，工艺模型仅用于描述材料在单向应力状态下的宏观流动行为，无法描述复杂温度场下材料的微观组织演化规律，如晶粒尺寸、再结晶、位错密度等，这种范式的局限性较强，不利于拓展工艺窗口。

为准确表述材料特征，实现材料微观组织演化、宏观力学性能及流动性能的整体描述，创新团队通过分析高温合金热压缩试验结果，以及不同条件下高温合金宏、微观热流变行为，结合微观组织试验数据，建立高温合金基于多物理内变量宏微观材料模型，并通过串联等温锻造工序及热处理工序的数据和对有限元软件的二次开发，编写子程序并嵌入材料模型，打通工序间的数据流，以实现建模仿真进阶应用范式，如图1所示。

图1 建模仿真的进阶应用范式

材料数据获取

为获得不同初始材料状态、成形温度与应变速率下，材料的宏观热压缩变形行为以及微观组织演变规律，创新团队开展了材料热力加工模拟试验机（Gleeble）热力模拟高温压缩试验和微观组织试验，如图2 所示。

图2 材料数据的获取与处理

压缩试验结果表明，高温合金对应变速率和变形温度均具有较高的敏感性，且应力值与应变速率成正比，与变形温度成反比。此外，当应变速率较高时，随着变形过程的进行，动态软化未能及时抵消由位错大量增殖和塞积而引起的加工硬化，在应力应变曲线图上的映射为应力值随着应变的增加而始终保持升高状态。

微观组织试验结果表明，当到达一定的温度时，高温合金在变形过程中会发生再结晶现象，而随着变形温度的升高，晶粒尺寸的增长速率会加快。此外，当应变速率处于较低的范围时，增加应变速率能起到细化晶粒的作用，这是因为产生的位错未能及时恢复，材料内部位错密度增大，提升了材料内部的储存能，使得再结晶更容易发生；而当应变速率处于较高的范围时，变形过程明显加快，使得动态再结晶不能充分产生，从而导致晶粒细化程度较低。最后，随着应变量增加，晶粒尺寸逐渐变小，这是因为材料的变形程度增加了材料内部的储存能，有利于再结晶的发生，也即表明较大的变形量有助于细化晶粒。

材料建模与仿真

高温合金本构模型的构建包含3个步骤：首先是选用统一本构方程，通过依次引入塑性应变速率方程、位错密度演变速率方程、硬化状态变量方程、再结晶演变方程、晶粒大小演变方程以及临界位错密度方程和基于一维胡克定律建立的应力方程共同组成统一的黏塑性本构模型；其次是统一本构方程求解，由于模型方程均为常微分方程，通常不能直接求解，因此采用显式欧拉方法求解，即通过赋予初值、给定时间增量及数值积分更新变量，通过编写与调试MATLAB程序，进行流动行为表征及晶粒直径大小演变输出；最后进行方程组系数的确定，根据模型预测与试验结果对比，拟合本构模型相关系数的大致范围，不断缩小范围进行数值优化，最终得出精度较高的模型。此外，高温合金本构模型中与温度相关的系数将根据阿伦尼乌斯（Arrhenius）定律拟合。

上述统一本构模型可以实现高温合金材料的微观、介观到宏观的整体描述，通过计算皮尔逊相关系数，该模型的精度可达97.4%。之后，将模型嵌入有限元软件，对等温锻造工艺进行了模拟，通过对比数据，得到模型的置信度为95%，如图3、图4所示。