數(shù)值模擬驅(qū)動(dòng)下GH4169合金鍛造過程變形均勻性調(diào)控及工藝適配性研究——結(jié)合高溫合金在航空航天石油化工等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，針對(duì)其鍛造過程中組織不均勻芯部難鍛透等關(guān)鍵技術(shù)難題

GH4169屬于鎳基高溫合金，與美國(guó)牌號(hào)為Inconel718的合金成分相似，是所有高溫合金中應(yīng)用最廣泛、生產(chǎn)最穩(wěn)定的合金之一。GH4169合金因其優(yōu)異的綜合性能和高溫穩(wěn)定性被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工和核能發(fā)電等多個(gè)領(lǐng)域。作為航空航天領(lǐng)域的重要材料，GH4169合金主要應(yīng)用于渦輪盤、壓氣機(jī)葉片和機(jī)匣等熱端動(dòng)力零部件。這些結(jié)構(gòu)件通常服役于交變載荷、交變溫度等惡劣條件，要求其具有良好的抗疲勞和抗蠕變性能。

鍛造是根據(jù)金屬本身的塑性特性，對(duì)其開展變形工藝處理，利用金屬處于高溫狀態(tài)下的可塑性，將其塑造成特定形狀，是有效調(diào)控合金組織與性能的關(guān)鍵工序。而GH4169合金有著較大的變形抗力和較小的加工溫度區(qū)間，故其加工性能較差。因其復(fù)雜的熱加工變形過程，有限元模擬軟件逐漸成為分析工件在其復(fù)雜加工工況下各參數(shù)變化的熱門工具。

喬世昌等通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合的手段，系統(tǒng)研究了高溫合金在熱變形過程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶[Dynamic Recrystallization,DRX]行為及其與熱力參數(shù)的關(guān)聯(lián)性。喬世昌等利用Gleeble-3800D熱模擬機(jī)對(duì)Ni-Co-Cr基粉末高溫合金進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)，結(jié)合DEFORM-3D有限元模擬及微觀表征[金相、電子背散射衍射技術(shù)]分析，發(fā)現(xiàn)合金的軟化機(jī)制主要由DRX主導(dǎo)，其中不連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶[Discontinuous Dynamic Recrystallization,DDRX]因晶界弓出形核效應(yīng)成為關(guān)鍵機(jī)制。類似地，Chamanfar等[]針對(duì)鎳基合金的等溫鍛造過程，采用DEFORM-3D軟件構(gòu)建了包含熱力耦合效應(yīng)的有限元模型，探討了980℃~1140℃及0.01~1s~1條件下DRX的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。在所研究的條件下，鍛件內(nèi)部熱變形參數(shù)和溫度的分布是不均勻的。最大應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度主要出現(xiàn)在鍛件的邊緣和中心。鍛件組織不均勻，即DRX體積分?jǐn)?shù)和平均晶粒尺寸分布不均勻。

魏振等利用Fortran語(yǔ)言將修正前后的組織模型分別寫入程序，并經(jīng)Simufact Forming軟件調(diào)用后對(duì)GH4169合金的環(huán)軋過程進(jìn)行了微觀組織模擬，建立了可實(shí)現(xiàn)各工藝流程間組織遺傳的數(shù)值模擬方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了適配性修正后組織演化模型的正確性和該模擬方法的可行性。靳盛哲等為探究孔擠壓工藝在鎳基高溫合金上的應(yīng)用，建立了鎳基高溫合金GH4169孔擠壓工藝的數(shù)值模擬方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性，討論了芯棒材料、擠壓量和摩擦因數(shù)對(duì)周向殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律，并得到了擠壓量和摩擦因數(shù)的優(yōu)選范圍。

綜上所述，大多數(shù)學(xué)者都是針對(duì)合金熱變形的單一工序進(jìn)行仿真模擬，并沒有針對(duì)一整套工藝流程進(jìn)行模擬。大規(guī)格GH4169合金鍛件的鍛造加工全流程模擬研究也較少。如果通過實(shí)際生產(chǎn)方式確定合理的工藝參數(shù)，不僅耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，而且難以觀察到鍛件芯部區(qū)域的變形情況，難以確定工件芯部性能是否達(dá)標(biāo)。而本研究使用Si-mufact Forming有限元軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì) GH4169合金完整鍛造過程的仿真模擬4，數(shù)值模擬的方法不僅節(jié)省了時(shí)間和成本，而且獲得了鍛造變形過程中整個(gè)鍛件的溫度場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)分布情況，對(duì)工藝方案的制定提供了幫助，為實(shí)際鍛造生產(chǎn)提供參考價(jià)值。

1、有限元模型建立

1.1幾何模型

根據(jù)某企業(yè)生產(chǎn)的工件實(shí)際尺寸，在Simufact Forming軟件中設(shè)置GH4169工件尺寸為508mm 1000mm，砧子尺寸為450mmx200mmx650mm，機(jī)械夾持手尺寸為300mmx100mmx400mm，實(shí)際有限元模型、實(shí)際鍛造生產(chǎn)過程以及模擬鍛造示意圖如圖1所示，模型劃分網(wǎng)格采用六面體單元,網(wǎng)格數(shù)量為30000。

1.2參數(shù)的設(shè)定

1.2.1材料參數(shù)的輸入

在 Simufact Forming材料庫(kù)中選擇 Inconel718合金,將 GH4169的化學(xué)成分[表 1]以及熱物性參數(shù)[圖 2]導(dǎo)入,完成材料的熱導(dǎo)率、比熱容等參數(shù)的設(shè)定。工件初始溫度設(shè)置為  1100 °C、砧子初始溫度設(shè)置為  400 °C,根據(jù)相關(guān)資料選取摩擦系數(shù)為  0.4 [15?16],其他參數(shù)按照默認(rèn)不進(jìn)行修改。

在熱加工過程中,金屬材料應(yīng)變速率、變形溫度和應(yīng)變是影響其流變應(yīng)力的重要因素,而本構(gòu)方程能夠準(zhǔn)確地描述這些參數(shù)之間的關(guān)系。目前使用最為廣泛的一種模型是 Arrhenius方程  [17],該模型的表達(dá)形式如下:

式中 A、  α、n一分別為材料常數(shù),其中  α =  β/n, β為高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力敏感系數(shù);  ε ˙一應(yīng)變速率,  s ?1; σ一流變應(yīng)力, MPa; Q一熱變形激活能, J/mol; R一氣體常數(shù),取值為 8.314 J/[mol-K]; T一變形溫度, K。

在低應(yīng)力狀態(tài)下,該模型可以簡(jiǎn)化為如下指數(shù)函數(shù)形式:

在高應(yīng)力狀態(tài)下,該模型可以簡(jiǎn)化為如下指數(shù)函數(shù)形式:

結(jié)合上述GH4169的本構(gòu)方程,對(duì) Simufact Forming材料庫(kù)中 Inconel718材料的屬性進(jìn)行修正,使其符合模擬 GH4169鍛造所需的流變應(yīng)力方程。

表 1 GH4169合金化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)[單位:%]

1.2.2鍛造工藝的設(shè)置

某企業(yè)實(shí)際鍛造生產(chǎn)工藝由七個(gè)火次構(gòu)成[表 2],該鍛造工藝前三個(gè)火次包含了鐓粗、拔長(zhǎng)與加熱過程,后四個(gè)火次只涉及拔長(zhǎng)和加熱過程。使用 Simufact Forming軟件開展模擬時(shí),初始鐓粗過程采用熱鍛模塊[該模塊集成鐓粗功能],而拔長(zhǎng)工藝的模擬需調(diào)用自由鍛模塊中的開坯鍛造或徑向鍛造功能  [18]。在選取相應(yīng)模塊開展第一火次鐓粗過程模擬時(shí),需依次導(dǎo)入鍛件三維初始幾何模型、材料參數(shù)、初始溫度場(chǎng)、摩擦因子,以及砧子與機(jī)械夾持手的幾何模型  [19]。工件、砧子與機(jī)械夾持手的位置關(guān)系需進(jìn)行精確定位調(diào)整,通過軟件內(nèi)置的定位功能,借助旋轉(zhuǎn)、平移及重合約束等操作實(shí)現(xiàn)三者空間位置的協(xié)同優(yōu)化  [20]。在設(shè)置單火次內(nèi)的多道次工藝時(shí),由于存在往復(fù)鍛造,需在每一道次中選擇軟件的固定送料模式,并對(duì)坯料旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置,以使模擬過程能夠自動(dòng)識(shí)別位置參數(shù),完成道次間的工藝銜接。

實(shí)際生產(chǎn)的鍛造流程具有連續(xù)性特征[2]。為等效實(shí)現(xiàn)模擬過程的工藝,利用 Simufact Forming軟件的多工序耦合功能。具體而言,在完成每個(gè)火次模擬,以及同一火次內(nèi)鐓粗、拔長(zhǎng)等不同工步的模擬后,需重新生成包含該階段結(jié)束時(shí)鍛件的應(yīng)變、溫度等信息的幾何模型。為后續(xù)模擬過程提供可直接調(diào)用的幾何模型,從而實(shí)現(xiàn)多工序間的數(shù)據(jù)傳遞與耦合,確保模擬結(jié)果的物理真實(shí)性。

表2 實(shí)際鍛造工藝

1.2.3確定劃分網(wǎng)格數(shù)量

劃分不同網(wǎng)格數(shù)量對(duì)第一火次的鐓粗 1、拔長(zhǎng)1過程進(jìn)行模擬。劃分網(wǎng)格數(shù)量為[20000、30000、40000]，圖3、圖4為不同網(wǎng)格數(shù)量的模擬結(jié)果。

從模擬結(jié)果分析可得，在30000與40000網(wǎng)格數(shù)量下模擬結(jié)果相差較小，但與20000網(wǎng)格數(shù)量下的模擬結(jié)果差別大2。在30000網(wǎng)格數(shù)量下，相較于20000網(wǎng)格數(shù)量，其等效應(yīng)變分布能更細(xì)致地反映材料變形的局部特征，精準(zhǔn)度有較大提升，可更準(zhǔn)確地反映鐓粗拔長(zhǎng)過程中的變化規(guī)律;另一方面，與40000網(wǎng)格數(shù)量相比，30000網(wǎng)格數(shù)量在保證較高模擬精度以滿足工程分析需求的同時(shí),能有效控制計(jì)算規(guī)模,降低計(jì)算時(shí)間與資源消耗，實(shí)現(xiàn)了模擬精度與計(jì)算效率的較好平衡，更適用于工程實(shí)際中的鐓粗拔長(zhǎng)工藝模擬分析。

2、模擬結(jié)果與分析

2.1鍛件變形分析

如圖5與圖6所示，數(shù)值模擬所得的完整鍛造工藝流程和工件外形演變過程，與實(shí)際工藝規(guī)范呈現(xiàn)高度吻合性[23-24]。模擬結(jié)果表明:在鐓粗變形階段,初始圓柱狀坯料因上下端面與砧塊間的摩擦約束效應(yīng)，導(dǎo)致端面區(qū)域金屬流動(dòng)受阻，等效應(yīng)變分布呈現(xiàn)顯著梯度。中心區(qū)域因變形量較大產(chǎn)生更高的變形熱，促使金屬流動(dòng)性增強(qiáng)，進(jìn)而形成中部外凸的鼓形。在多道次拔長(zhǎng)工藝實(shí)施過程中，坯料經(jīng)往復(fù)鍛造逐步演變?yōu)榘诉呅谓孛妫漭S向長(zhǎng)度隨變形累積呈現(xiàn)規(guī)律性延展。值得注意的是，當(dāng)工藝完成后，工件頭尾端出現(xiàn)的中心凹陷，本質(zhì)上是由于芯部金屬在應(yīng)力狀態(tài)下的流動(dòng)滯后于表面金屬，在表面變形的牽引作用下，中心區(qū)域因金屬補(bǔ)充不充分而形成幾何凹陷。該演變規(guī)律與基于金屬流動(dòng)理論的分析具有良好的一致性，驗(yàn)證了模擬工藝參數(shù)設(shè)置的合理性與變形機(jī)制分析的準(zhǔn)確性。

2.2溫度場(chǎng)分析

鍛造生產(chǎn)中，鍛件溫度對(duì)鍛件成形質(zhì)量至關(guān)重要，合理的溫度可以加快鍛造效率和提高產(chǎn)品良率，同時(shí)要考慮到由于鍛造引起的內(nèi)部升溫對(duì)芯部區(qū)域的影響，確保芯部不會(huì)因?yàn)闇囟忍遊過燒]而影響最終性能。

為了更好了解整個(gè)鍛件不同部位的溫度、等效應(yīng)變的變化，從鍛件中選取了標(biāo)號(hào)為2、1和3的三個(gè)點(diǎn)，分別位于端面區(qū)域、芯部區(qū)域和側(cè)表面區(qū)域，運(yùn)用后處理點(diǎn)追蹤技術(shù)分析三個(gè)區(qū)域溫度、應(yīng)變的變化規(guī)律。

圖7與圖8所示為模擬結(jié)果及鐓粗1階段鍛件特征點(diǎn)追蹤溫度分布曲線，通過分析可知，三次鐓粗過程均呈現(xiàn)顯著的溫度梯度特征:工件外表面溫度較低，且由表層向芯部呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。該現(xiàn)象歸因于鐓粗變形過程中，芯部區(qū)域經(jīng)歷了更大的塑性變形，累積的變形功轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致顯著的溫升效應(yīng)。與此同時(shí)，鍛件端面與低溫砧具及外界空氣直接接觸，通過熱傳導(dǎo)和對(duì)流作用形成高效散熱通道，致使表層溫度快速下降;加之鐓粗過程持續(xù)時(shí)間較短，芯部產(chǎn)生的變形熱尚未形成有效熱傳導(dǎo)至表面區(qū)域，從而維持了內(nèi)外層的溫度差異。特征點(diǎn)溫度演化曲線進(jìn)一步表明:端面與砧子接觸初期即出現(xiàn)急劇降溫，芯部溫度隨鐓粗進(jìn)程保持穩(wěn)定并略有上升，外表面溫度則呈現(xiàn)持續(xù)小幅下降趨勢(shì)。

在多道次拔長(zhǎng)工藝階段，工件芯部溫度場(chǎng)表現(xiàn)出良好的一致性，主體區(qū)域溫度波動(dòng)幅度較小。然而，工件表面因與砧子及環(huán)境空氣的散熱作用，形成明顯的低溫邊界。值得關(guān)注的是，工件頭尾端與其他部位存在顯著溫度差異，該區(qū)域因散熱面積相對(duì)較大且約束條件特殊，導(dǎo)致溫度衰減速率高于主體部分，進(jìn)而在內(nèi)外層間形成較大的溫度梯度。這種非均勻溫度分布可能導(dǎo)致材料邊緣與芯部的顯微組織和力學(xué)性能出現(xiàn)顯著差異，對(duì)獲得組織均勻、性能優(yōu)異的鍛件產(chǎn)生不利影響。此外，部分芯部區(qū)域溫度的上升現(xiàn)象，可解釋為隨著變形量的累積，塑性變形能轉(zhuǎn)化的熱能逐漸超過熱耗散速率，使得材料內(nèi)部溫度因變形功的持續(xù)輸入而呈現(xiàn)階段性升高。

2.3等效應(yīng)變分析

等效應(yīng)變的大小是評(píng)價(jià)鍛件鍛透性的重要指標(biāo)，鍛件芯部發(fā)生較大的應(yīng)變，有助于消除缺陷，改善組織性能。通過鐓粗工藝增加芯部應(yīng)變，也可以改善后續(xù)拔長(zhǎng)初期表面應(yīng)變高而芯部應(yīng)變低引起的不均勻變形，提高拔長(zhǎng)過程中材料整體變形均勻性。

圖9、圖10為不同道次等效應(yīng)變分布圖及鐓粗1階段特征區(qū)域應(yīng)變變化趨勢(shì)圖，由圖可知，鐓粗變形過程中存在顯著的應(yīng)變梯度:上下端面因受砧面摩擦約束作用，金屬?gòu)较蛄鲃?dòng)受阻，形成低應(yīng)變區(qū)[應(yīng)變值基本維持初始狀態(tài)]，而芯部區(qū)域因受邊界摩擦影響較小，成為主要變形區(qū)，其等效應(yīng)變值顯著高于端面及表層區(qū)域。這種由摩擦導(dǎo)致的變形不均勻性，使得應(yīng)變?cè)诮孛鎯?nèi)呈現(xiàn)“X”型分布特征，與砧子接觸的端面區(qū)域幾乎無變形，應(yīng)變值由邊緣向中心逐漸增大，最終導(dǎo)致圓柱體坯料形成典型的鼓形畸變。

從應(yīng)變幅值演變規(guī)律來看，鐓粗1、2、3階段的應(yīng)變范圍分別為0.00~0.66、0.05~4.63、0.36~5.15,后兩個(gè)鐓粗過程的峰值應(yīng)變與平均應(yīng)變顯著高于首次鐓粗。這是由于在鐓粗 2和鐓粗 3前經(jīng)歷了拔長(zhǎng)工序，前期累積的塑性變形與當(dāng)前道次應(yīng)變發(fā)生疊加，體現(xiàn)了多工序耦合作用下的應(yīng)變累積效應(yīng)。

在拔長(zhǎng)過程的等效應(yīng)變分布中,坯料經(jīng)鐓粗-拔長(zhǎng)循環(huán)后，整體應(yīng)變水平顯著提升，主體區(qū)域等效應(yīng)變可達(dá)1.75以上，僅頭尾局部區(qū)域因邊界約束保持較低應(yīng)變值。各拔長(zhǎng)道次的峰值應(yīng)變均出現(xiàn)在工件上下表面，這是由于砧面接觸時(shí)的摩擦阻力不僅限制了表面金屬的橫向流動(dòng)，還促使變形能量在接觸區(qū)域集中釋放。芯部作為傳統(tǒng)認(rèn)知中的“難變形區(qū)”，其應(yīng)變值隨拔長(zhǎng)次數(shù)增加而逐步增大，且沿工件軸向呈現(xiàn)近似周期性分布特征，表明多次拔長(zhǎng)工藝有效促進(jìn)了芯部材料的塑性流動(dòng)。對(duì)比拔長(zhǎng)階段可見，首道拔長(zhǎng)的芯部應(yīng)變幅值最小,而最后兩道次的芯部應(yīng)變分布更為均勻,標(biāo)志著工件芯部在多道次變形中逐漸實(shí)現(xiàn)“鍛透”，其截面應(yīng)變分布呈現(xiàn)典型的“X”型分層特征，反映出表面強(qiáng)變形區(qū)與芯部弱變形區(qū)的動(dòng)態(tài)演化過程。

2.4關(guān)鍵點(diǎn)溫度變化分析

在 Simufact Forming軟件中選取工件的芯部、端面以及表面三點(diǎn)，如圖11所示。在后處理中提取三點(diǎn)在整個(gè)鍛造過程中的溫度數(shù)據(jù)，分析整理出溫度隨時(shí)間變化的曲線圖，見圖12。

GH4169圓柱件鍛造時(shí)，芯部、表面及端面溫度隨時(shí)間呈周期性波動(dòng)，與火次工藝緊密相關(guān)。前三個(gè)火次中，鐓粗、拔長(zhǎng)階段塑性變形產(chǎn)生，變形熱使各部位升溫，芯部因變形熱直接作用且熱傳導(dǎo)滯后，升溫更顯著;保溫階段，表面和端面因與外界熱交換強(qiáng)而降溫更明顯，芯部溫度相對(duì)穩(wěn)定，形成芯部與表、端面的溫度差。后四個(gè)火次，拔長(zhǎng)變形生熱使溫度上升，保溫階段熱傳遞與熱交換規(guī)律同前，表面、端面散熱快，中心溫度仍相對(duì)更高。整體上，多次塑性變形生熱與保溫階段熱傳導(dǎo)、熱散失的交互作用，驅(qū)動(dòng)溫度場(chǎng)隨工藝動(dòng)態(tài)演化，中心溫度因熱傳導(dǎo)滯后和變形熱直接作用，始終相對(duì)高于表面與端面，表面和端面溫度更易受外界熱交換影響。

3、結(jié)論

1]基于Simufact Forming有限元平臺(tái)，構(gòu)建了包含工件、砧子及機(jī)械夾持手的三維熱力耦合模型，針對(duì)GH4169合金開坯鍛造工藝，成功模擬了鐓粗-拔長(zhǎng)多工序耦合過程。通過數(shù)值模擬獲得的鍛件溫度場(chǎng)與等效應(yīng)變場(chǎng)分布。對(duì)實(shí)際生產(chǎn)工藝的改進(jìn)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義，為復(fù)雜合金鍛造過程的工藝優(yōu)化提供了可靠的數(shù)值分析依據(jù)。

2]鐓粗變形階段，工件端面因與低溫砧具接觸產(chǎn)生強(qiáng)烈熱傳導(dǎo)，同時(shí)受邊界摩擦約束導(dǎo)致變形量受限，形成溫度與等效應(yīng)變的雙低值區(qū);芯部區(qū)域則因集中的塑性變形產(chǎn)生顯著的變形熱效應(yīng)，且熱量難以向表面耗散，使得該區(qū)域的溫度與等效應(yīng)變均顯著高于周邊區(qū)域，呈現(xiàn)典型的“中心高、邊緣低”的梯度分布特征。

3]拔長(zhǎng)過程中，工件表面因直接參與砧面接觸變形及環(huán)境熱交換，表現(xiàn)為高應(yīng)變值與低溫度值的耦合特征;芯部作為難變形區(qū)，其塑性應(yīng)變隨拔長(zhǎng)道次增加而逐步累積，隨著變形能量的深入傳遞，芯部材料逐漸被“鍛透”，等效應(yīng)變呈現(xiàn)沿軸向的周期性分布規(guī)律。這種多工序耦合作用下的變形一傳熱行為，揭示了復(fù)雜鍛件內(nèi)部組織性能調(diào)控的關(guān)鍵機(jī)制。

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（注，原文標(biāo)題：大規(guī)格GH4169合金棒材鍛造過程數(shù)值模擬研究_袁嘉澳）