（材料加工工程专业论文）gh4169四级转子叶片精锻成形规律数值模拟.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 叶片是动力装置中一类增压驱动核心零件，大量承载高速旋转下的气流功， 在长期恶劣的工作条件下容易出现疲劳损伤，故应从叶片的制造源头对其质量施 以严格控制。其不仅需通过精密锻造成形技术获得少无飞边的准确外形，更要得 到均匀一致的内部微观组织结构以提升锻件整体力学性能。锻件的材料特性、尺 寸精度、组织质量、流线分布等都与锻造工艺的设定紧密关联且相互制约。本文 以g h 4 1 6 9 四级转子叶片为研究对象，通过数值模拟不同工艺参数下精锻成形过 程，经分析反馈优化后的新工艺为获得“内外兼修”的高品质叶片提供了坚实的 保障。本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 以热力压缩变形实验应力一应变曲线数据为依托，回归建立了g h 4 1 6 9 合 金塑性变形过程中动态再结晶微观组织模型，分别得到动态再结晶体积分数及晶 粒尺寸模型计算值与实测值平均误差为9 和6 8 ，进而实现了d e f o r m 3 d 软 件的微观组织模拟功能扩展，并通过挤杆件大小端面模拟值与实际生产高倍组织 晶粒度的对比，验证了微观组织程序开发的准确性及可靠性。 ( 2 ) 运用三维实体造型软件p r o e 建立了终锻件几何模型，并依据变形程度范 围反向设计预锻件相应部位尺寸；通过复制型面方式创建了预终锻相关工步配套 模具型腔，其间专门对锻模压力中心、分模面、飞边桥( 槽) 进行了合理的选择及 设计；通过塑性有限元法仿真“试模”，不断改进及修正缺陷以完善模具设计。 ( 3 ) 分别通过选取叶片预锻件上典型截面及追踪预锻件上特征点在整个终锻成 形过程中金属流动特点及变化趋势的研究方法，利用已具备微观组织演变预测功 能的d e f o i 蝴3 d 软件对叶片预锻及终锻工步进行数值模拟，研究了叶片精锻成形 过程中材料的流变行为、组织变化与锻造热力参数之间的交互作用及不同条件下 变形工艺参数对变形过程宏微观场量及性能的影响，进一步揭示了锻件热一力一形 演变规律，从获得良好的叶片组织角度出发优化了精锻工艺。 关键词：g h 4 1 6 9 合金叶片；p r o e 几何建模；微观组织数值模拟；精锻工艺优化 a b s t r a c t t h eb l a d ei st h ed r i v e rc o r ep a r t so fb o o s t i n gi np o w e rd e v i c e ， b e a r i n gal a r g e n u m b e ro fa i m o wp o w e ru n d e rh i 曲s p e e dr o t a t i n g ， e a s i l ya p p e a r sf a t i g u ed 锄a g ei n l o n 争t e n i lb a dw o r k i n gc o n d i t i o n s ， s oi tn e e d st oi m p o s es t r i c tc o n t r o lo fq u a l i t y 劬m m eb l a d em 砒m f a c t u r i n gs o u i e n sn o to n l yn e e dt o g e ta c c u r a t ea p p e a r a i l c el e s s w i m o u tn a s hm r o u 曲t h ep r e c i s i o nf o r 西n gt e c l l i l 0 1 0 9 y ，m o r et og e tt h eu i l i f o 姗i n t e m a l m i c r o s t r i j c t i l r ei no r d e rt oi m p r o v em eo v e r a um e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff o r 西n g s t h e f o r 百n gm a t 甜a lp r o p e n i e s 、s i z ea c c u r a c y 、o r g a i l i z a t i o nq u a l i t y 、s t r e a m l i n ed i s t r i b u t i o n e t ca l la r ec l o s e l yr e l a t e dt of o r 百n gp r o c e s ss e t t i n ga n dr e s t r i c tw i me a c ho t h e r b a s e d o nm eg h 4 1 6 9l e v e lf o u rr o t o rb l a d ea sm er e s e a r c ho b j e c t ，t l l r o u 曲m en u m e r i c a l s i m u l a t i o np r o c e s so fp r e c i s i o nf o r g i n gu n d e rd i f f - e r e n tp r o c e s sp a r 锄e t e r s ，t h en e w p r o c e s sa f t e ra 1 1 a l y z i n ga n do p t i m i z a t i o nf e e d b a c kp r o v i d et h es o l i dg u a r a n t e et oo b t a i n “i n s i d ea n do u t s i d e ”h i 曲q u a l i t yb l a d e t h ep a p e rm a i nr e s e a r c h c o n t e n t sa r ea s f 0 1 l o w s ： ( 1 ) b a l s e d o nt h es t r e s s s t r a i nc u r v ed a t ao fh e a t c o m p r e s s i o nd e f o n n a t i o n e x p e r i m e n t ，r e g r e s s i o ne s t a b l i s h e dd y n 锄i cr e c 巧s t a l l i z a t i o nm i c m s t r u c t u r em o d e lo f g h 416 9a 1 1 0 yu n d e rm ep l a s t i cd e f o n n a t i o np r o c e s s ， s 印a r a t e l yg e tm ea v e r a g ee h d r b e 咐e e nm em o d e lc a l c u l a t i o na 1 1 dm e a s u r e dv a l u eo fd y l l 锄i cr e c 巧s t a l l i z a t i o nv o l u m e 6 - a c t i o na i l d 乒a i ns i z ea r e9 a 1 1 d6 8 ，t h e nr e a l i z e de x p a l l s i o no fm i c r o s t m c t u r e s i m u l a t i o n 劬c t i o no n 廿l es o f t 、a r ed e f o r m 3 d ，a 1 1 dt h r o u 曲c o i n p a r e dt h eg r a i ns i z e b e t w e e n l es i m u l a t i o nr e s u l t so fb i ga n ds m a l le n do fc r o w d 酣b a rw i mm ep r a c t i c a l p r o d u c t i o na t1 1 i g hm a g n i f i c a t i o no fm e t a l l o 蓼a p h i co r g a i l i z a t i o nc h a r t ，v 甜矽m e a c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo fm i c r o c o s m i cp r o 铲锄d e v e l o p m e n t ( 2 ) u s i n gt 1 1 r e e - d i m e n s i o n a lm o l d i n gp r o es o f 时a r e e s t a b l i s h e df i n a l f o r 舀n g s g e o m e 缸ym o d e l ， a i l dt h e na c c o r d i n gt od e f 0 肌a t i o nd e 伊e er a n g er e v e r s ed e s i 印e d c o r r e s p o n d i n gp l a c ed i m e n s i o no ft h ep r e f o r 百n g s ；t 1 1 r o u g hm et y p eo fc o p ys u r f a c e ， c r e a t e ds u p p o r t i n gm 0 1 dc a v i t yo fr e l a t e dw o r ks t e p sf o rp r e f o r 西n ga i l df i n a lf o r g i n g ，s 一 鲨塑里三奎兰堡主堂垡笙茎 p e c i f i c a l l yr e a s o n a b l es e l e c t i o na n dd e s i g nm ef o 晒n gd i ep r e s s u r ec e n t e r 、p a r n n g 舳c e 、f l 础嘶d g e ( t a l l l ( ) ；t h r o u g l l 廿l ee l a s t o p l 懿t i c f i n i t ee l 锄e n tm e m o d ”仃y m o d e ”s i m l l l a t i o n ，c o n t i n u o u s l yi m p r o v ea 1 1 dr e v i s ed e f e c t st op e r f tm e r n 0 1 dd e s i 伊 ( 3 ) r e s p e c t i v e l yt l l r o u g hm er e s e a r c hm e m o do fs e l e c t i n gb l a d ep r e f o r 西n g s t y p i c a ls e l e c t i o n 锄l d 仃a c k i i 培m ef e 姗p o i n t s o nt l l ep r e f 0 哂n gi nm ew h 0 1 ef o r 西n g p r o c e s so ff o m l i n gm c t a ln o w c h a r a c t 耐s t i c sa i l di t sc h a l l 百n gt r e n d ，u s i n ga l r e a d yh a v e m e 胁c t i o no fm i c r o s 仃u c 眦e v 0 1 u t i o np r e d i c t i o ns o 胁a r ed e f o r m 3 d ，n 啪嘶c a l s i i n u l a t i o nt 1 1 eb l a d ep r e f o 蝤n ga 1 1 d 丘n a lf o r 西n gs t 印s ，r e s e a r c h e di nm e b l a d ep r e c i s i o n f o r 垂n gp r o c e s s ， t l l ei n t e r a c t i o nb e t 、) l ，e e i lm er h e o l o 酉c a lb e h a v i o ro fm a t c r i a l s 、 o r g a n i z a t i o nc h 吼g e a 1 1 df 0 画n gm e m o d ) ，i l 锄i cp a r a m e t e r s ，a i l d 吼d e rd i 彘r e n t c o n d i t i o n s ，m ei n f l u e n c eo fd e f o m a t i o np r o c e s sp a r a m a e r so nm a c r oa i l dm i c mf i e l d q u a n t i t y 锄dp e 南m a l l c ei nd e f o m a t i o np r o c e s s ，缸t h e rr e v e a l e dh o t - f o r c e - f i o mo f f o r 百n g s e v 0 1 u t i o n ，矗o mt h ea n 哲eo fa c q u i r et l l eg o o do r g a i l i z a t i o nb l a d e o p t i m i z a t i o n e dp r e c i s i o nf o r 西n gp r o c e s s k e yw o r d s ：g h 4 1 6 9a l l o yb l a d e s ；p r o eg e o m e t r i cm o d e l i n g ；m i c m s t r u c t u r en u m 耐c a l s i m u l a t i o n ；p r e c i s i o nf o r 舀n gp r o c e s so p t i m i z a t i o n 第1 章绪论 1 1 引言 g h 4 1 6 9 合金是一种铁一镍一铬基的变形高温合金，具有强度高、抗氧化、抗辐 照、热加工性能和焊接性能好的特点，又不含稀缺的资源c o ，其最大优点是通过 调整热变形工艺参数，可以获得具有不同晶粒尺寸和不同性能水平的各种冶金产 品与锻件，经过多年来不断改进、改型和发展，材料的纯净度和性能不断提高， 制成满足工业生产中不同应用要求的各类零件，使该材料的应用领域不断扩大， 用量也日益增加。 金属的锻造是一个异常复杂的非线性塑性成形过程，同时还伴有热力耦合效 应，所以进行精确求解塑性成形问题甚为困难。金属和合金热成形过程的成功与 否，与变形热力规范( 变形温度、变形速度和变形程度) 的正确选择和严格遵守密 切相关。但这些热力规范在锻件成形中具有分散性和不确定性，材料锻造过程的 实质为众多偶然因素影响下的重要静不定问题，是偶然与必然两种因素共同作用 之结果【2 】。 叶片形状复杂，工艺性差，流动规律难以掌握，叶片锻造工艺的发展方向是 采用精锻工艺进行生产。为获得合格叶片精锻件，必须对叶片精锻成形进行流动 分析，以便充分了解和掌握叶片精锻成形规律，从而在消耗最低的条件下以最简 便的方式实现叶片精锻过程。近年来，利用有限元法在计算机上对金属成形过程 进行模拟和分析的数值分析方法，在金属材料塑性成形的理论研究和生产实际中 已显示出其作用。只要建立合理的模型，运用合适的算法，通过数值模拟计算就 能准确地计算出金属材料固态压力加工过程的数据，并能预测出材料的微观组织 结构及性能。其在计算机上虚拟实现成形过程并反复演示、计算和优化，利用这 种方法可望获得塑性成形从加载到卸载整个过程的全部数值解，得到大量任一时 刻的变形场量信息，这是其他方法所无法比拟的b 钔。进而对叶片精锻过程实行优 化设计，这对于提高精锻工艺具有重要研究价值。 沈阳理工大学硕士学位论文 1 2 高温合金g h 4 1 6 9 的锻造性能 高温合金是指以f e ，n i 或c o 为基体，为承受较大的机械应力和要求具有良 好表面稳定性的条件下，进行高温服役而专门研制的一类合金，一般要求在6 0 0 以上的环境中具有高温抗氧化性和高温抗腐蚀性，并能在一定应力下长期工作例。 高温合金特有的合金成份和微观组织结构决定了其热加工成形工艺有别于其它普 通材料。同其它类型材料相比，高温合金的锻造性能与其它合金材料截然不同， 具有如下成形特点f 6 j ： 在低温区导热性差； 在高温下的变形抗力大，工艺塑性差； 锻造温度范围窄。 g h 4 1 6 9 合金是n i c r - f e 基高温合金，美国牌号为h l c o d c l 7 1 8 合金，法国牌 号为n c l 9 fe _ n b ，含n i 5 0 5 5 ，含铁约2 5 ，按照合金分类属于含铁较高以体 心立方y ”和面心立方y 为沉淀强化相的镍基变形高温合金，其基体是n i f e 基奥 氏体y 相，亚稳共格相y ”是主要强化相，化学式为朋，册；y 为辅助强化相，也 是亚稳共格相，化学式为f ，( a l ，t i ，n b ) ；正交非共格相万( f ，册) 为y ”相的平 衡稳定相。由于其优良的高温力学性能，在6 5 0 以下的屈服强度居变形高温合金 的首位，并具有良好的抗氧化、抗辐射、耐腐蚀、加工、焊接性能及长期组织稳 定性，故在2 5 3 7 0 0 温度范围内优异的综合性能被广泛用于制造航空类的高温零 部件，如涡轮盘、叶片、机匣等。这些部件在高转速、高温条件下工作，需要承 受很大的应力，因此要求具有较高的抗持久性能和抗疲劳性能。而g h 4 1 6 9 合金 对热加工工艺很敏感，工艺控制不当就会产生粗晶、混晶等现象，进而影响锻件 的持久缺口敏感性和冲击韧度等锻件的机械性能。因而，热加工工艺的主要目的 就是获得均匀的细晶组织，防止粗晶、混晶的出现。g h 4 1 6 9 合金的晶粒尺寸和金 属间化合物的分布及形貌对其性能影响很大，由于该合金的热处理方案采用低温 固溶处理，其晶粒不能靠热处理来细化，因此只能通过变形工艺控制晶粒尺寸【，- o 】。 1 3 有限元法在塑性成形中的研究概况 ( 1 ) 基本思想 第1 章绪论 所谓有限元法( f e a ) ，其基本思想是将连续几何机构离散成细小的有限单元， 并在每一个子单元中设定有限节点，从而把连续体看作一组单元仅在节点处相连 接的集合体，同时选定基本未知量为场函数的节点值，并假设每一个单元中有一 个近似插值函数以此表示其单元中的场函数分布规律，再建立求解未知节点量的 有限元方程组，从而将一个连续域中的无限自由度问题转变为离散域中有限自由 度问题。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身可以有不同形状， 因此可以模型化几何形状复杂的求解区域。有限元法作为数值分析方法的一个重 要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数，分片地表示全求解域上待求的未 知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数在单元的各个节点的数 值和其插值函数表达。这样，一个问题的有限元分析中，未知场函数或其导数在 各个节点上的数值就成为新的未知量( 即自由度) ，一经求解出这些未知量得到节 点值后便可通过已设定的插值函数来确定单元以至集合体上的场函数。而每个单 元需选取适当的插值函数，使在子域内部、子域分界面以及子域与外界面上该函 数都能满足一定的条件，可通过插值函数计算出各个单元内场函数近似值，从而 得到整个求解域上的近似解。显然，随着单元数目的增加，即单元尺寸的缩小， 或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。 如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解。在已知外载荷作用下 单元组合体处于平衡状态时，列出以位移、节点为未知量的一系列线性方程组， 解出节点位移后，用弹性力学相关公式，计算出各个单元的应力、应变值，当各 个单元小到一定程度时，便就代表连续体各位置的真实情况【一引。 ( 2 ) 有限元在塑性成形过程中的应用 依据变分原理近似求解有关塑性变形的问题，塑性有限元法的基本思想是结 构的离散化及分片插值。其可分为两大类：一类是包括小变形和大变形的固体型 弹塑性有限元法，弹性区运用h 0 0 k 定律，塑性区采用m i s e s 屈服准则及 p r a l l d t l r e u s s 方程。另一类是包括刚塑性和刚粘塑性的流动型塑性有限元法。 塑性有限元模拟真实性关键在于根据模拟对象的变形特性，建立正确的理论 模型并选取适宜的方法求解。实际金属塑性成形过程中，弹性变形往往远远小于 塑性变形，因而一般可忽略弹性变形，将材料模型直接简化为刚塑性模型。 s k o b a v a s h i 和c h l e e 针对弹塑性有限元法存在的问题提出了所谓“矩阵法” 沈阳理工大学硕士学位论文 基于理论基础为变分原理的刚塑性有限元法，用来分析金属塑性成形问题。它认 为在一切动可容的速度场中，真实的速度场为使泛函取得驻值的速度场，借此可 计算出相应各点的应变与应力值。这种方法忽略了塑性变形中的弹性变形，而仅 基于小应变位移关系，采用l “y - m i s e s 方程作为本构方程，考虑了塑性变形时材 料的体积不变条件，运用刚塑性模型可大幅度简化有限元列式与求解过程，使变 形后构形直接通过在离散空间中对速度积分而获得，从而避开了位移和应变之间 的几何非线性问题。与此同时，针对在求解中刚塑性有限元法存在的一些不足， 提出了相应的各种解决方法，如罚函数法、处理材料不可压缩条件的l a 孕a i l g e 乘 子法和体积可压缩法等。此外刚塑性交界面的确定、初始速度场的选取等问题均 也得到了良好的解决，进一步扩大了刚塑性有限元法的应用范围。然而在超塑性 成形及热加工中，材料不仅仅表现有塑性而且还具有粘性，故在有限元模拟中必 须考虑粘性对材料塑性成形规律的显著影响，建立粘塑性本构关系，进而发展粘 塑性有限元法。p p e r z y n a 对粘塑性本构关系与屈服准则进行了较为系统的总结， s i o h 等以刚粘塑性材料变分原理为基础，o c z i e l l k i e w i c z 等将刚塑性材料视为 非牛顿不可压缩粘性流体，导出了刚粘塑性有限元求解列式。此后众多学者均运 用刚粘塑性有限元法对多种金属成形进行了分析研究，并取得了丰硕成果【1 4 川，。 ( 3 ) 有限元在塑性成形显微组织演变分析中的应用 材料的性能是由组织形态所决定的，而组织形态又取决于材料的变形工艺参 数、化学成分及合理的热处理规范，不同的组织形态呈现出相异的力学性能。对 于己确定化学成分的材料，为了提高其各类力学性能，只能通过变形及热处理的 途径来实现。因而分析在不同的变形工艺参数下金属塑性成形过程中的组织演变 规律，对于更深层次的认识理解塑性成形中材料变形的物理实质进而优化成形工 艺具有重大意义【1 5 1 。 自上世纪六十年代以来，已有众多学者相继在塑性成形各领域进行了组织性 能研究。最早提出耗散结构理论的是p r i g o 酉n e 【1 们。此后，g e g e l 【1 7 】提出了d m m 方 法一动态行为模拟，并运用该法确定了使锻件组织性能趋于稳定一致的相应锻造 成形热力参数合理范围。s e l l a r s 等1 8 】建立了描述再结晶体积分数及晶粒尺寸的半经 验公式，并对工业纯铝、碳钢及纯铜板材轧制成形进行了显微组织演化数值模拟 研究。基于建立二维热镦粗过程中低碳钢的再结晶体积分数和晶粒尺寸的经验性 一 第1 章绪论 公式，k o p p 【1 9 】最先将组织微观演变模型嵌入到非稳态锻造成形过程中。其后j w b m o k s ，z m h u 等【2 0 】开展了热锻t c 4 叶片截面体积分数与晶粒尺寸的二维有 限元仿真模拟。s h i v p u r i 等1 2 1 】预测了w a s p a l o y 高温合金二维镦粗锻后饼坯的再结 晶程度及晶粒度。以上工作对于加深并正确理解锻件内部质量与锻造工艺之间的 紧密关系具有指导意义。 1 4 精锻数值模拟技术 1 4 1 数值模拟在叶片精锻成形中的应用 叶片锻件形状颇为复杂，对产品的尺寸精度及内部质量又要求较高，此外其 生产过程又受诸如材料特性、坯料形状与尺寸、模腔构造及工艺等众多因素影响 作用，因而最终结果难以准确预测。因此，长期以来人们一直在对叶片锻造过程 中成形规律、质量控制、影响因素以及有效提高模具使用寿命等多方面进行深入 细致的研究【2 2 1 。 由于运用有限元法可以较全面地考虑到变形过程中的材料动态特性、初始条 件和各种边界条件的综合影响，即使对应复杂边界情况仍可达到满意的模拟精度。 因而目前对叶片锻造过程进行数值模拟的方法主要是有限元法。有限元法具有功 能强，精度高，解决问题的范围广等优点，可在计算机上反复演示虚拟实现模拟 塑性加工从坯料到制件整体的成形过程，合理地描述成形过程中坯料的几何形状 及尺寸，求出任意成形时刻的力学、流动信息，分析成形质量的同时预测缺陷的 产生与扩展。目前有限元法已成为研究材料变形行为、分析塑性成形规律及探讨 各种物理场的强有力工具之一，其在任意速度边界条件下均得到了广泛应用。 早期由于计算条件的不足，国内外研究者只能对叶片锻造过程实行二维简化 近似于平面变形的数值模拟，如n r e b e l o l 2 4 ，等采用刚粘塑性二维有限元模拟，对在 不同摩擦因子精锻作用下涡轮叶片金属的流动情况进行了分析。s o l t 锄i 等z s 】利用 d y 二n a 2 d ( 动态显式) 和n i k e 2 d ( 隐式) 算法，基于叶片锻造过程二维刚塑性有限 元模拟，得到显式优于隐式解法的结论。n l d u l l g z s ，等在模拟过程中采用三角形与 四边形两种混合单元，并运用拉格朗日乘子法处理体积不可压缩条件，对涡轮叶 片精锻在对称和不对称的上下模作用下的金属流动情况进行了二维有限元模拟分 沈阳理工大学硕士学位论文 析对比。薛善坤等【2 7 】采用刚塑性有限元法对t c 4 钛合金精锻叶片的进行二维有限 元锻造过程数值模拟，并在模拟的过程中考虑了畸变网格的局部划分以及边界的 作用。 以上对叶片的分析几乎均是将其简化为二维平面应变问题，即假设沿叶身方 向没有金属的流动，截取若干个截面进行有限元模拟分析。这样必然带来误差， 甚至与实际结果相去甚远。在叶片的实际成形过程中，沿叶身方向有金属流动， 而且由于叶片形状复杂，叶身厚度薄且不均匀，从叶根部到叶尖还有一定的扭曲， 其变形相互影响，因而叶片的实际变形为三维大塑性变形问题。对叶片进行的二 维简化研究，虽获得了在一定程度上可接受的结果，如变形力等，但对叶片锻造 尤其是精锻这类复杂的三维成形过程而言，这些结果尚显粗糙，难以获得真实的 变形体构形和更精确的有关变形的信息。因此，有必要对叶片成形过程进行三维 有限元模拟。 随着计算机技术的飞速发展，借助高性能的计算机工具为建立更复杂的数据 模型，并进行更复杂的数值计算提供了可能。目前，对叶片锻造过程进行数值模 拟是在对叶片进行三维几何建模的基础上进行的。如d y y a i l g ：s 】建立了汽轮机叶 片的三维几何模型，并运用了刚塑性有限元法进行了数值模拟。模拟过程中涉及 边界摩擦条件，实行了网格重划分。j h 心妒s 等【2 9 】在涡轮叶片精锻模拟过程中考 虑了工模具间的摩擦( 采用的是反正切摩擦模型) 及热影响，用三维刚粘塑性有限 元法分析了叶片从初始毛坯到最终产品的整个变形过程，并进行了热力耦合分析。 n a y s 等【3 0 利用三维有限元数值模拟预测了镍基合金7 1 8 叶片预终锻后的晶粒尺寸 及体积分数。 1 4 2 微观组织模拟研究现状 先进塑性成形技术的卓越发展不仅需保证产品形状及尺寸精度，其更为注重 产品的综合性能的提升，而这在很大程度取决于材料微观组织变化情况，因此预 测并控制微观组织演变，对提高产品性能具有重要的现实意义，。 y s j a l l g ，：】等基于刚粘塑性热力耦合有限元法，运用y a d a 提出的经验公式， 模拟分析了不同变形程度下碳钢热镦粗过程的动态再结晶晶粒大小与分布及变形 结束后不同空冷时间下的晶粒尺寸及分布，并与实验进行了对比。其间综合考虑 第l 章绪论 了变形中及变形后动静态再结晶、晶粒长大软化机制及工件转移和在模具上停留 时间内热传导的影响，因而其模拟结果更为准确，。 国内学者王连生、罗子健m ，等通过等温恒应变速率压缩试验，应用模糊数学理 论建立了定量表征锻件晶粒度隶属程度与锻造热力参数之间隶属关系的函数，将 有限元变形一传热耦合分析方法与隶属函数相结合，导出了预测高温合金变形锻件 晶粒度新方法，为运用有限元数值模拟结果来预测锻件显微组织性能提供了良好 媒介，对优化难变形材料的锻造工艺以及控制锻件质量具有指导意义【s 扪。 熊爱明【3 5 】在定量金相实验与高温力学的基础上，利用模糊神经网络技术构造了 t c 6 钛合金在高温变形过程中工艺参数与微观组织特征参数间的映射关系模型。通 过引入一个与组织演变相关的函数对金属稳态流动应力模型进行修正，建立了材 料流动应力受微观组织演变影响的新型本构关系。进而考虑到传热对变形的作用， 以t c 6 涡轮盘锻造成形过程为研究对象进行了微观组织刚粘塑性有限元数值模拟， 预测了不同工艺下终锻成形晶粒度及分布趋势，探讨优化锻造工艺参数，从而提 高了产品微观组织质量及性能【，。 1 4 3 精密锻造未来发展趋势 精密锻造成形技术正向着部分或全部取代切削加工，直接生产机械零件的方 向发展。精密锻造成形技术发展的总趋势是产品的复杂化、精密化和质量优化， 工艺设计的模拟化、准确化、模具、模样设计制造c a d c a m 一体化。 锻造技术发展的未来是锻造技术数字化。主要体现在对锻造过程和产品品质、 成本、效益的预测和可控程度。为了缩短产品的开发周期，需要将已经公式化的 设计原则及实践经验数据集成为多功能的计算机辅助设计系统( c a d ) ，可对锻件、 锻模进行最优化设计；同时自动分析计算设计锻件图、终锻型槽图，再根据锻件 图及其它数据和有关条件，最后设计预锻、制坯工步。锻造过程模拟技术( c a e ) 是以材料锻造加工过程的精确数学物理建模为基础，以数字模拟及相应的精确测 试为手段，在计算机拟实环境中动态模拟锻造工艺过程。它可以形象显示各种工 艺的实施过程及材料形状、轮廓尺寸及内部组织的发展变化情况，预测材料经成 形改性制成锻件毛坯后的组织性能、品质，特别是找出发生缺陷的成因及消除方 法；还可以通过虚拟条件对工艺参数反复比较，在计算机上修改构思，实现锻造 沈阳理工大学硕士学位论文 技术的优化设计，将锻件缺陷及“隐患”消灭在计算机拟实加工的反复比较中， 减少试模次数，确保关键锻件一次锻造成功d 6 1 。 为了实现锻造过程向先进制造技术转变，还可将模拟及优化设计与c a d c a m 系统相结合，使有限元方法在金属塑性成形过程中的应用由现阶段的被动预测与 跟踪变形过程直接深入到未来的面向产品外观成形与提高内在质量的主动控制， 从而实现真正意义上的智能制造技术【s 刀。 1 5 选题背景及意义 叶片是动力装置中一类量大面广的重要零件，其截面形状复杂，各截面之间 有一定转角、机械加工难度大、质量要求高，目前其生产方法主要是精密模锻。 精锻技术是在一般模锻基础上逐渐发展起来的一种少无切削新工艺。与一般模锻 相比，它能获得表面质量好，机械加工余量少和尺寸精度高的锻件，从而能提高 材料的利用率和零件的承载能力，使金属流线沿零件轮廓合理分布。然而叶片精 锻变形机理复杂，是一个集几何、材料和边界条件非线性的三维大塑性非稳态变 形过程。各种工艺参数对成形结果有较大的影响，用解析法很难建立成形结果与 工艺参数之间的对应关系，传统的工艺和模具设计方法也难以适应优质、高效、 低耗的发展趋势。随着计算机技术和数值计算方法的飞速发展，利用有限元数值 模拟技术其具有普遍性、快捷性和准确性，可在计算机上虚拟实现叶片塑性成形 过程并反复演示、计算和优化，借助一定的后处理技术来直观地表示出各场变量 的分布状态，大大增强分析的灵活性和直观性，并且还可得到大量任一时刻的变 形场量信息，能够比较准确地确定各种工艺参数对于材料流动的影响，可在计算 机上模拟显示叶片在锻模型腔内的金属流动和成形的一般规律，通过流线分析揭 示叶片典型部位的变形模式，预测成形缺陷产生的部位，结合高温塑性变形理论 加以分析，检验、优化工艺设计，从而确定以最简便的方式在消耗最低的条件下 实现叶片成形过程的最佳工艺参数、成形极限等。亦可降低成本，缩短周期，提 高锻造工艺设计水平，对于掌握塑性成形规律，优化工艺参数，提高产品质量及 性能，促进先进塑性加工技术的发展具有重要意义，是目前材料加工领域的研究 热点之一 3 8 5 3 】。 第1 章绪论 1 6 本文主要研究内容 ( 1 ) 通过材料流动应力应变曲线和金相实验数据，回归得出g h 4 1 6 9 合金的微 观组织模型； ( 2 ) 将微观组织模型方程通过f i o r t r a n 编入d e f o r m 用户子程序中，从而使其 具有对热锻成形过程微观组织演变预测功能； ( 3 ) 依据叶片相关设计规范确定各成形工步工艺尺寸，运用实体造型软件p r o e 实现各工步锻件及配套模具三维建模；反复调试模拟锻件及模具，使其成形在型 腔充满且飞边少无均匀分布的同时能获得较好的场量模拟结果。 ( 4 ) 利用经过拓展具有微观模拟功能的d e f o r m 软件仿真叶片的锻造成形过 程，分析锻造过程中叶片内部金属的流动规律，预报缺陷类型和产生部位，进而 返回对模具进行设计优化和修正；同时研究变形工艺参数对变形过程宏微观场量 及性能的影响，实现锻造过程的优化，达到成形出高质量叶片锻件的目的。 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章g h 4 1 6 9 高温合金微观组织模拟的实现 2 1 引言 变形直接影响着材料内部的组织演变，为了精确的描述g h 4 1 6 9 合金在外界工 艺条件下的动态再结晶发生机制，以下通过建立热力模拟实验经摩擦修正后的应 力一应变曲线塑性成形指标与再结晶微观组织参量之间的数学模型，更好的揭示 变形与微观组织变化间的交互影响，为微观组织数值模拟仿真过程的精确性提供 了可靠保障。 2 2 动态再结晶体积分数及晶粒度微观演化模型的建立 本课题选用r k - o p p 髀】提出的用于模拟金属热变形动态再结晶过程的经典经验 性演化方程： 占p = 七l 砂 ( 2 - 1 ) 占。= 七2 s p ( 2 2 ) 占。= 七3 z 他 ( 2 - 3 ) 一一m 嚣门 陪4 ， d d 肼= 七5 z ( 2 - 5 ) z 未x p ( 嚣) 弘6 ， d = ( 1 一x d 肘矽o + x d 胱d d 胱 ( 2 7 )、 工，m ，v工，mu m 、一， 式中： 占p 峰值应变； t 发生动态再结晶的临界应变； t 发生完全动态再结晶的应变； 蹦动态再结晶体积分数； 如肘动态再结晶晶粒尺寸，岫； 篁三皇塑! 翌壹塑全全丝婴望堡堡垫塑塞垫 七l i 5 、，l l 心材料常数； q 自由扩散激活能，m o l ： r 气体常数，8 3 1 4 j m 0 1 k - 1 ： t 温度，k ： z 曾尼- 霍格曼常数z e n * h o l l o m o n ( 温度补偿应变 率) ； d 平均晶粒尺寸，岬； d 。一一初始晶粒尺寸，岫。 根据经摩擦修正后的高温合金g h 4 1 6 9 真应力一真应变曲线( 图2 1 ) ： 应变 ( a ) 应变 ( b ) 应变 应麦 ( c ) ( d ) 图2 1 原始晶粒尺寸为3 2 5 6 朋条件卜 摩擦修正后的g h 4 1 6 9 合金应力一应变曲线 ( a ) 9 4 0 ；( b ) 9 8 0 ； ( c ) 1 0 2 0 ；( d ) 1 0 6 0 f i 9 2 1 蹦c t i o nr e v i s e ds 仃e s s s 仃a i nc u eo f g h 4 1 6 9a l l o ya to r i 垂n a lg r a i ns i z eo f 3 2 5 6 朋 首先由以上曲线可测在不同应变速率下且分别对应各个不同变形温度下的两 种应变及相对应的应力特征值： 一1 1 一 蕾罢式翟霄疆 审童式翟蒋濯 墨一，s翟奄灌暑鼍式趔奄髯 沈阳理工大学硕士学位论文 峰值应变占。和稳态应变( 发生完全动态再结晶时的应变) 占。； 峰值应力仃。和稳态应力( 发生完全动态再结晶时的应力) ； 此时根据文献 5 5 】中k 2 其范围在0 6 0 8 5 之间，本文取k 2 为0 8 3 ，由此可求得相 应临界应变占。，同时可返回曲线测得临界应力仃。 至此，以下逐一求出未知模型参数如下： 对( 2 1 ) 式，在温度不变的条件下，k l 、r 、q 均是常数，将式两边取对数并偏 导得： a l n 占。 玎1 = 1 a l n 叠 在应变速率不变的条件下，k l 、n l 、r 均为常数，同理得： q 】：旦竿 玎a ( ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 根据实验数据，分别做不同变形条件下的l n 占p 与1 1 1 舌、l n 占p 与l 丁关系图， 如下图2 2 、图2 3 所示。由线性回归求出n l = o 0 9 6 ，q l = 3 5 0 8 5 2l 【j m o l 。 图2 2 参数n l 的回归曲线 f i 9 2 2r e g r e s s i o nc l l r v e so fp 娥i l i l e t e rn l 继而由式( 2 1 ) 求得： 图2 3 参数q l 的回归曲线 f i 醇3r e g r e s s i o nc u e so f p a 删：i l e t e rq l 仁鲁 ( 2 - 1 0 ) 式( 2 3 ) 、( 2 5 ) 亦用类似上述方法即可求出相应n 2 、k 3 、1 1 4 和k 5 的值，相应回 归曲线见图2 4 、图2 5 所示( 其中动态再结晶晶粒尺寸d d 胱由定量金相试验测量 得出) 。 图2 4 参数1 1 2 的回归曲线 图2 5 参数n 4 的回归曲线 f i 薛4r e g r e s s i o nc u r 、，e so fp a “m l e t e rn 2 f i 9 2 5r e g r e s s i o nc u r v e so fp a r a m e t e rn 4 动态再结晶体积分数可根据应力应变曲线并结合与各应力参数如下关系【5 6 ，来 确定： x d 隧= 6 。一g ( 占。 占 o u - r l ( 6 ) o 7 u f l ( 7 ) o 8u r 2 ( 1 )o 9 u r ：( ：) o l ou r 2 ( 3 )o l lu r 2 “)o 1 2u - r ：( 5 )o 1 3u r 2 ( 6 )o l u f 2 ( 7 )o 图2 8 各用户变量的定义 f i g2 8e a c hu s e rv a r i a b l e so fd e f i n i t i o n 一1 5 沈阳理工大学硕士学位论文 _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - _ l l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ l - - - - - - - l _ 一- _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ l - _ - _ _ _ - - l _ _ _ _ - _ _ _ - 一 ( 2 ) 指定目录新建备份文件夹一，将已安装好的d e f o r m = ；d - v 5 - o 文件夹下的 d e fs i m e x e d e f s i m p 4 e x 8 和v 50 u s e rr o u t i n e d e fs i m 文件夹下的o 一“8 。_ 共三个文件备份，并将已回归得到的微观组织模型用汇编语言形式编制到d e f _ u s r f 文件中并保存； ( 3 ) 指定工作目录新建备份文件夹二，将上步保存的d e f - u s r f 文件、d e f - s i m 文件 夹下的 画 s r g u i d e f s i m p 4 一u s r a b s o f t 7 0 g u i d e fs i m p 4 一u s r l i b 1 i b 国画 d e f s i m i j s r g u id e f s i m u s r a b s o f t 7 0 g u i d e f s 一u s r 0 1 8 11 6 以及v 5o 1 i b 文件 央下的所有文件 国国画画画画 0 8 f o 。d n o r l 1 86 0 i 3 2 1 i 6 m p i 。“1 i 6m 5 ”c p 。t 1 i b m s 。c 。t 1 i b w s o c k 3 2 1 i 6 复制到备份 文件夹二中； 固 ( 4 ) 打开上步备份文件夹二中的 d e f _ 8 1 m _ p 4 一u 8 r g u i 8 - 一：也兰? _ j y j l - _ 瓤1 ，_ 盯三。曼i ! j f ，如j 一“! j l ；蠡l j ：l 塑一i j ：j 乙兰j 曼了 i 鑫幽馥螂_ 埘g 枷呻睫触